提高多旋翼無(wú)人機(jī)續(xù)航能力的措施

1、    提高多旋翼無(wú)人機(jī)續(xù)航能力的措施    劉旭蘭摘要：隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，無(wú)人機(jī)尤其是多旋翼無(wú)人機(jī)在消防、農(nóng)業(yè)、救援、測(cè)繪和公共安全等領(lǐng)域嶄露頭角，然而續(xù)航時(shí)間是現(xiàn)階段多旋翼電動(dòng)無(wú)人機(jī)進(jìn)一步發(fā)展和更廣范圍應(yīng)用的瓶頸，本文從無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)、材質(zhì)以及能量來(lái)源方面進(jìn)行匯總，以期對(duì)技術(shù)人員有所啟發(fā)。關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī) 續(xù)航 材質(zhì) 電池目前多旋翼無(wú)人機(jī)主要以鋰離子充電電池作為電源，續(xù)航時(shí)間短、機(jī)體不夠輕等問(wèn)題仍然存在，制約著無(wú)人機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。目前大多數(shù)多旋翼電動(dòng)無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間在1230min 之間，如大疆（dji）最新產(chǎn)品mavic pro 質(zhì)量0.74

2、3 kg（毛重4.35 kg），最長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間僅27 min;xiro 零度無(wú)人機(jī)探索者xplorer-g 質(zhì)量1.189kg，飛行時(shí)間僅18 min，續(xù)航時(shí)間短、機(jī)體不夠輕等問(wèn)題，成為無(wú)人機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的攔路虎。結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對(duì)于傳統(tǒng)的多旋翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航問(wèn)題，目前的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方式主要是傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)或垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)。即將多旋翼與固定翼相結(jié)合，在起降階段由旋翼提供垂直方向的動(dòng)力，而飛行時(shí)旋翼傾轉(zhuǎn)從而提供推力，使飛行器既能像直升機(jī)那樣垂直起降，又能像固定翼飛機(jī)那樣巡航飛行，大大提高了續(xù)航時(shí)間。然而傾轉(zhuǎn)舵機(jī)或是垂直起降動(dòng)力系統(tǒng)重量較大，加之無(wú)人機(jī)本身的結(jié)構(gòu)沉重，產(chǎn)生了大量廢重，難以運(yùn)輸大量貨物;且運(yùn)用

3、于自重較大的貨運(yùn)無(wú)人機(jī)時(shí)，往往會(huì)因?yàn)槭褂么笸屏β菪龢鴺O大增加傾轉(zhuǎn)舵機(jī)的負(fù)載。舵機(jī)的響應(yīng)速度并不快，往往會(huì)讓無(wú)人機(jī)的可操控性大打折扣。無(wú)人機(jī)巨大的機(jī)翼結(jié)構(gòu)與無(wú)法側(cè)向傾轉(zhuǎn)的舵機(jī)會(huì)使穩(wěn)定懸停變得極為困難，因此并不適用于物流。二、材質(zhì)的改進(jìn)要達(dá)到無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)化和高性能化，在機(jī)架材質(zhì)的選取要十分慎重。與傳統(tǒng)的金屬材料及復(fù)合材料相比，碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞和防鹽霧侵蝕的特性，將其應(yīng)用于無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)中可以改善和提高無(wú)人機(jī)的綜合性能。機(jī)臂可采用碳纖維空心方管，碳纖維方管較碳纖維圓管承載能力更強(qiáng)，方管的平面更有利于連接機(jī)體和螺旋槳，且搬運(yùn)方便。除碳纖維外，聚碳酸酯及其合金材料、高分子基復(fù)合材料、

4、含氟聚合物等材料在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用也有相關(guān)研究。三、能量來(lái)源的改進(jìn)3.1 燃油和電能目前無(wú)人機(jī)的動(dòng)力裝置有電動(dòng)機(jī)和油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)兩類。固定翼和單旋翼無(wú)人機(jī)多采用油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，而多旋翼無(wú)人機(jī)絕大多數(shù)都是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。對(duì)于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的多旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，要提高載重量和延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間，就要采用大功率電機(jī)并加裝更多組電池，而大功率電機(jī)和大電池本身需要更多的起飛動(dòng)力，且成本會(huì)數(shù)倍增加。汽油的能量密度遠(yuǎn)大于電池，因此，有些廠家推出了油動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)以提高續(xù)航能力和載重量，目前該類型的無(wú)人機(jī)可用于農(nóng)林植保。油動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)分為燃油直驅(qū)多旋翼以及油動(dòng)變距多旋翼兩種，前者通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)，后者

5、通過(guò)改變槳的螺距來(lái)改變升力，相比之下，后者響應(yīng)速度快抗風(fēng)性強(qiáng)且發(fā)動(dòng)機(jī)壽命不受影響。另外油電混合動(dòng)力系統(tǒng)也已用于無(wú)人機(jī)，油電混合動(dòng)力系統(tǒng)是指油動(dòng)和電動(dòng)通過(guò)某種方式組合在一起并發(fā)揮某種優(yōu)勢(shì)性能的復(fù)合動(dòng)力系統(tǒng)。此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可以改善原有的無(wú)人機(jī)動(dòng)力來(lái)源單一的現(xiàn)狀，因而能夠大大提高無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。3.2 鋰離子電池鋰離子電池是目前多旋翼無(wú)人機(jī)常用的動(dòng)力能源之一。雖然鋰離子電池相對(duì)于鎳鎘電池、鎳氫電池有很多優(yōu)點(diǎn)，但在無(wú)人機(jī)的環(huán)境使用中依然存在以下缺陷：充放電時(shí)間不成比例，充電時(shí)間長(zhǎng)，續(xù)航時(shí)間短。鋰電池作為現(xiàn)在發(fā)展電池利用率相對(duì)較高的電池，研究者也努力縮小電池體積、提高電池電量利用率、以及縮短充電時(shí)間

6、。2015 年9 月，作為電動(dòng)車行業(yè)佼佼者的特斯拉公司，研發(fā)了一種容量在10000 毫安的電池，使無(wú)人機(jī)續(xù)航能力提高到60分鐘以上，將充電時(shí)間縮短到20 分鐘。鋰離子電池輕量化技術(shù)也有部分學(xué)者研究。3.3 太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生飛行動(dòng)力的飛行器，是我國(guó)新世紀(jì)航空工業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的一個(gè)新領(lǐng)域。目前太陽(yáng)能電池多用于固定翼無(wú)人機(jī)，如何在多旋翼有限的受光面積上盡大的利用太陽(yáng)能以及如何提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率，還有待于進(jìn)一步的研究。受電池封裝材料、電池封裝方式、飛行條件對(duì)發(fā)電效率要求等因素的制約，以及各種飛行器對(duì)電池的特殊要求，普通的太陽(yáng)能電池并不適于直接使用在飛行器

7、上。3.4 燃料電池燃料電池與常規(guī)電池不同，它是一種由外部提供氧化劑和還原劑的電池，氧化劑可以是空氣中的氧氣、純氧，還原劑通常是氫氣、甲烷、煤氣等，氧化劑與還原劑在燃料電池堆中發(fā)生反應(yīng)，生成水和二氧化碳。燃料電池?zé)o人機(jī)是以燃料電池為動(dòng)力的新能源無(wú)人機(jī)，相較于鋰電池，燃料電池有更高的能量密度，燃料電池?zé)o人機(jī)低噪聲、無(wú)污染、長(zhǎng)航時(shí)的特性使其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，并且它有較低的熱紅外特性，不易被發(fā)現(xiàn)，非常適合長(zhǎng)時(shí)間偵察任務(wù)。無(wú)人機(jī)上使用最多的是質(zhì)子交換膜燃料電池（ pem） ，它的反應(yīng)溫度適合無(wú)人機(jī)的工作環(huán)境，并且有較高的能量密度與功率密度。目前燃料電池?zé)o人機(jī)還存在許多問(wèn)題，如功率密度低，響應(yīng)速度慢，而且還

8、需要解決成本與壽命問(wèn)題。催化劑成本和性能是阻礙燃料電池商業(yè)化的重要原因。因?yàn)闅錃饷芏刃?，主要以壓縮的形式儲(chǔ)存、運(yùn)輸，不可避免的存在安全問(wèn)題，嚴(yán)重限制了氫能源的應(yīng)用，而且氫氣的儲(chǔ)存密度也嚴(yán)重影響著無(wú)人機(jī)的航時(shí)。目前有研究提出用蓄電池或超級(jí)電容與燃料電池組成混合能源動(dòng)力系統(tǒng)，用蓄電池彌補(bǔ)燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的不足。為了使各電源更好的配合，以獲得更長(zhǎng)的航時(shí)和使用壽命，能源管理算法是必需的，基于燃料電池?zé)o人機(jī)的能源算法相較于電動(dòng)汽車要少很多，國(guó)外在這方面的起步要早，已經(jīng)進(jìn)行了很多研究。3.5 無(wú)線傳能波士頓無(wú)人機(jī)制造商cyphy works曾發(fā)布一款可執(zhí)行空中巡航任務(wù)的無(wú)人機(jī)parc。parc 無(wú)人機(jī)

9、由一條“微絲”連接，既可以傳輸數(shù)據(jù)也可從外部發(fā)電機(jī)、車輛或其他設(shè)備獲得電力，從而實(shí)現(xiàn)永不斷電。但這種由“微絲”連接電源的結(jié)構(gòu)也有明顯的弊端，即無(wú)人機(jī)的飛行范圍受到了限制，只能完成定點(diǎn)式單一式的任務(wù)或者航拍。隨著技術(shù)的發(fā)展，電磁感應(yīng)、電磁共振、微波、超聲波、激光、飛秒激光等離子通道等不同形式的無(wú)線充電技術(shù)逐漸出現(xiàn)。無(wú)人機(jī)方面，目前美國(guó)已有激光充電的相關(guān)技術(shù)，例如2013年，美國(guó)采用綽號(hào)為隱形塔的無(wú)線激光充電系統(tǒng)完成了為一架四旋翼垂直起降無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線供能的試驗(yàn)。2015 年，solace power公司和波音公司合作研發(fā)小型無(wú)人機(jī)無(wú)線充電技術(shù)，利用諧振阻容技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小區(qū)域電能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)。無(wú)需接觸

10、，通過(guò)懸停即可實(shí)現(xiàn)充電，有效充電距離為25cm左右。美國(guó)西雅圖機(jī)器人無(wú)線充電公司wibotic 100w的電磁共振無(wú)線充電板可在2h 內(nèi)完成對(duì)無(wú)人機(jī)的充電，在不久的將來(lái)，該公司的充電板可搭載在諸如汽車的移動(dòng)平臺(tái)上，為小型化無(wú)人機(jī)充電。同年，為解決水下無(wú)人機(jī)不能長(zhǎng)航時(shí)漂浮，需要返回基地充電的困難，美國(guó)某公司開發(fā)了水下無(wú)線充電裝置，為水下無(wú)人機(jī)充電。2017 年，華為與中國(guó)移動(dòng)合作研究的x lab項(xiàng)目中提出四軸無(wú)人機(jī)可借助信號(hào)塔實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電，同時(shí)增加無(wú)人機(jī)的gps信號(hào)和無(wú)線充電雙重功效。無(wú)線傳能技術(shù)受制于當(dāng)前的技術(shù)水平，無(wú)線傳能系統(tǒng)的發(fā)射端、傳輸過(guò)程、接收端等過(guò)程中的技術(shù)機(jī)理、能量等級(jí)、傳輸效率、體積質(zhì)量等方面或多或少仍存在一些技術(shù)瓶頸，限制無(wú)線傳能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，但這并不影響無(wú)線傳能技術(shù)會(huì)在未來(lái)推