基于磁耦合共振模式无线传能的无人机自助充电平台设计开题报告

全文总字数：3885字

1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来无人机技术飞速发展，应用范围从最初专用于军事，现在扩展到农业、地质、救灾等许多领域^[1]。随着应用场合的增多，无人机将面对多变的环境、复杂的任务，另外，无人机也越来越多地应用于各种巡检活动，但由于无人机严重受限于电池容量小，续航时间短的特性，传统的充电方式难以解决飞行器长时间自主执行巡线任务的问题^[2]。故我们提出了自助无线充电的方式，省去了传统有线充电的繁琐，提高了无人机执行任务的自动化程度，顺应无人机的发展趋势^[3]。

根据能量传输机理来说无线能量传输模式可分为三种类型：辐射传输法，电磁感应传输法和磁耦合谐振法^[4]，基于不同原理的无线充电在不同领域有着不同的应用。 电磁感应传输法的原理是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势，此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流，依此来传输能量，但是它的传输距离较短^[5]。辐射传输法是以高能量的微波束来传输能量^[6]，具有传输距离远效率高的特点，但是高能量的微波束不适合在人类聚集的地方使用。磁耦合谐振模式是使发射线圈和传输线圈的谐振频率一致使其处于强磁耦合状态，发射线圈和接收线圈就通过空间的交变磁场发生强耦合^[7]，实现能量的高效传输，磁耦合谐振可以实现中距（米级）的无线能量传输，发射线圈和接收线圈就通过空间的交变磁场发生强耦合，实现能量的高效传输^[8] ，四线圈结构相比两线圈结构在同样弱耦合的情况下传输效率高得多^[9] ，磁耦合谐振模式适合无人机的工作场合，但是无人机无人机自重较轻，且受环境、人为因素 的制约，因此，其内部充电原级很难保持与电能发射线圈 的相对静止。由此，对于无人机无线充电系统，需要考虑 无人机自身的特征，进行有针对性的设计^[10]。

2007年美国麻省理工（mit）的marin soljaci采用磁耦合共振模式在2m外点亮了一枚60w灯泡，传输效率为40%^[11]。2009 年，日本昭和飞机对电磁感应式电动汽车无线充电系统进行实验，设定频率为 22khz，传输距离 14cm，最终实现 30kw 的能量传输和 92%的传输效率；2011 年日本东京大学和日本长野广播公司共同研发了基于磁耦合谐振式的电动车无线充电系统，最终实现 1kw 的能量传输和 88%的传输效率^[12]。韩国庆尚大学将发射线圈和接收线圈设计为平面空心线圈，接收线圈装设在机架侧面，实现充电功率 51 w，最大效率63.4%^［13］。印度学者采用沿无人机机架四周绕制空心线圈的方式，实现 35 w、效率 71% 的无人机无线充电^［14］意大利罗马大学采用将空心平面接收 线圈装设在无人机腹部的方式，在对准良好的条件下实现功率 70 w、效率 89% 的电能传递^[15]。qi是全球首个推动无线充电技术的标准化组织--无线充电联盟推出的"无线充电"标准，市面上的基于qi协议的无线能量传输设备，不同品牌的产品，只要有一个qi的标识，都可以用qi无线充电器充电。

2. 研究的基本内容与方案

研究的基本内容是磁耦合共振模式的无线能量传输技术，以用于对无人机的无线充电，无人机与充电平台间距在米级内方可进行无线充电，传输功率和传输效率可以实现双高，计划使用gps与光流传感器相结合，使得定位更加的精准。

目标是实现无人机的在电量低于20%的时候可以实现自动定位返回无线充电平台，使用磁耦合线圈给无人机充电实现与有线充电同样的效率，在无人机充电完成后自动切断电源，无人机可以自动继续工作。

拟采用磁耦合共振模式来给无人机充电，磁耦合无线能量传输既可以实现较高效率的米级无线能量传输又不会对人体有辐射伤害，适用于无人机的工作环境。首先我们将依据无人机的尺寸来设计线圈，使线圈能够安装在无人机上，接下来我们使用feko^tm软件对线圈进行仿真优化，使其的最佳耦合频率在13.56mhz，然后使用漆包线绕制线圈，使用矢量网络分析仪测试线圈，得到线圈的s21参数，对比仿真得到的s21参数，得到与仿真相同的频率，然后使用实验室的信号源、射频功率放大器等仪器搭建无线充电平台，并使用功率计测得充电功率并计算其充电效率，然后对比feko^tm仿真计算的到的效率。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需的基本概念和基础知识。确定方案，完成开题报告。

第4－6周：根据已有研究成果，确定进行本课题研究的基本路线和具体方案。

第7－10周：研习无线能量传输线圈天线的几类结构特点与物理原理，包括与此相关的天线馈电技术、商用软件基本使用方法，同步开始进行设计与优化计算。

4. 参考文献（12篇以上）

1. 王刚，胡峪，宋笔锋．电动无人机动力系统优化设计及航时评估[j]．航空动力学报，2015，08：1834-1840．

2. 吴沁怡．我国无人机的发展现状与展望[j]．科技展望，2016，12:285．

3. 邹湘伏，何清华，贺继林．无人机发展现状及相关技术[j]．飞航导弹，2006，10：9-14．

4. k. agarwal, r. jegadeesan, y.-x. guo, and n. v. thakor, “wireless power transfer strategies for implantable bioelectronics: methodological review,” ieee reviews in biomedical engineering, pp. 1–1, 2017.

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