刘萱怡

（同济大学新生院 上海 200092）

1 背景

无人机是一种高效、轻便的飞行装置。从机体结构的角度来划分，无人机可以大致分为3种类，即型多旋翼、固定翼和直升式。多旋翼无人机（MR-UAV）是在无人机的顶部安装有3 个或3 个以上轴承和旋翼且可远程操控的飞行器。

多旋翼无人机具有体积较小、便于携带、稳定性高等诸多优点，逐渐被大量应用于侦查勘探、巡逻检修、施肥撒药、远程救援等高空作业，颇受国内外消费者的青睐，其应用前景十分广阔。然而，目前，多旋翼无人机只能执行短距离的飞行任务，主要原因是其电池的平均续航时间只有30min［1］，这无疑在很大程度上限制了多旋翼无人机的飞行范围和作业时间。提高无人机的续航时间，无非只有两种方案。一是对无人机的电池进行扩容，增大它的蓄电量。这种方法看似简单且直接，但是电池体积太大，本身就要消耗大量的功率，不能显著地延长多旋翼无人机的续航时间。二是在无人机的飞行过程中，及时提前为其补充新的电能，从而增加它的续航时间。此种方法可行性较强，也是当下国内外无人机无线充电领域的重点研究方向。

2 研究方法

3 无人机无线充电技术的发展概述

3.1 文献调研及分析

3.1.1 无人机无线充电技术学术文献调研结果

以“无人机”和“无线充电”为关键词，在中国知网，利用“篇关摘”字段对无人机无线充电技术进行检索，如图1所示。所得结果表明：2015年已经有人提出无人机无线充电技术；近些年，相关研究呈上升趋势，涉及无线充电研究主题，包括耦合结构、无线充电系统、WRT、耦合系数、磁共振等内容。

图1 无人机无线充电技术中国知网发文趋势图

以Unmanned aerial vehicles、Wireless charging为关键词，在EI-compendex 外文数据库进行检索，发现相关研究国际研究趋势如图2所示。

图2 无人机无线充电E I-C ompendex发文重要主题词云图

3.1.2 无人机无线充电技术专利文献调研结果

通过大为Innojoy 专利数据库（简称大为专利数据库）对无人机无线充电技术专利查询并分析重要国家专利（包括中国专利、美国专利、欧盟专利、日本专利、韩国专利等）发现，在无人机无线充电技术方面的相关专利也在逐年递增，2019年达到峰值，最近两年专利申请量略有下降，技术涉及技术内容及相互关系如图3所示。

图3 无人机无线充电专利申请趋势图——大为专利

3.2 主要技术

3.2.1 无线充电技术最新的学术研究成果

无线电能传输（WPT）是在供电与用电之间没有任何物理接触的前提下，将电能从电源端输送到负载端的能量传输方式。在检索和收集大量最新的国内外关于无线电能传输研究成果并经过梳理和总结之后，发现学术界的研究成果主要可以分为微波式、激光和磁耦合式3种无线电能传输系统。

为了更好地说明本文方法的合理性和适用性，本文选择2种类型的滑坡体的工程案例进行分析，工程案例一的滑坡体为黏土和粉质黏土，工程案例二的滑坡体为碎石土。具体计算如下：

（1）微波式无线电能传输系统（MWPT）。有线充电是通过电池与充电器的直接接触才能完成充电任务。而在微波式无线电能传输中，电池与充电器之间有一定距离，而且两个器件不需要依靠金属导线的连接。作为一种新型电能输送技术，为了避免对生态系统的影响，MWPT 基本上选用频率为2.45GHz 的电磁波向负载端传送微波［2］。MWPT的工作原理是安装在地面的射频发送器把电源转换成微波，向加装在多旋翼无人机腹部的整流天线系统（RS）发送微波［3］，无人机的接收器再把微波转换成电能，从而为无人机的长时间飞行提供电量。

（2）激光无线电能传输系统（LWPT）。无线电能传输（WPT）既可以利用激光作为载体，也可以利用微波作为载体，从电源端携带着一定量的电能，不需要中间任何媒介，即可传送到负载端［4］。LLM（激光发射模块）、LTM（激光传输模块）及LPT（激光与电能转换模块）共同组成了LWPT（激光无线电能传输系统）的三大工作模块，由采用光纤耦合输出的半导体激光器向安装在无人机上的电能接收器发射激光，电能转换器将接收到的激光进行储存并转换成电能，从而为负载（无人机）提供可持续且稳定的电源。

（3）磁耦合式无线电能传输（MC-WPT）。与微波式和激光一样，磁耦合式无线电能传输都是通过电能发射端和接收端的无线接入进行补偿电容［5］。磁耦合式无线电能传输的工作原理是安装在地面的发射源将电源通过激发感应的方式转变成磁场，在磁场范围内的接收装置上的线圈不断聚集能量，并转换成电能提供给负载端，从而完成无线电能传输。

3.2.2 无线充电技术主要形式比较分析

通过深入对比微波式无线电能传输系统、激光无线电能传输系统、磁耦合式无线电能传输系统这3 种最新技术的优缺点，可以直观地了解各种技术现有的比较优势和存在的发展瓶颈，有助于明确3 种技术未来的发展方向，补齐各自的技术短板，如见表1所示。

表1 微波式、激光、磁耦合式无线电能传输的主要特征对比

从表1可以得出结论：微波式传输系统传输功率小、电能转换率低；而激光传输对跟踪无人机和扫描精度的要求很高，此外，激光无线充电技术仍处于实验阶段，国内外尚未见应用于商业领域；磁耦合无线电能传输技术不管是安全性还是电能转换率都比微波式和激光式更胜一筹。

4 磁耦合式无线电能传输（MC-WPT）发展及在多旋翼无人机领域的应用

4.1 磁耦合式无线电能传输（MC-WPT）文献调研及分析

4.1.1 学术文献

在国内外数据库检索关于磁耦合式无线充电方式的相关文献显示，磁耦合式无线充电技术在2012年提出，多年来，相关文献发表呈上升趋势，外文文献发表在2017年达到最高峰，中文文献发表在2018年达到高峰，近两年，相关研究出现拐点。

从图4和图5可以看出，目前，国内外主要的研究主题涉及无线电磁传输、磁耦合谐振、无线充电系统、磁耦合机构、动态无线充电，其中，谐振式磁耦合无线充电研究较多。

图4 磁耦合无线充电相关研究中国知网发文趋势

图5 磁耦合无线充电相关研究EI-C ompendex 数据库发文趋势

4.1.2 专利文献

本文以“无线充电”和“磁耦合”为关键词，利用大为专利数据库对相关研究领域的专利进行了检索分析，相关专利涉及中国专利、美国专利、欧盟专利、日本专利、韩国专利等技术创新重要国家，并对其发展趋势、涉及主题、主题发展现状进行了呈现和分析。

从图6可以得知，相关技术在无线充电装置、控制电路、发射线圈、接收线圈、电动汽车磁耦合无线充电系统、谐振式磁耦合等模块已有相对成熟技术。

图6 磁耦合无线充电相关专利研究领域热力图（大为专利）

综上文献调研来看，自2012年以来，磁耦合无线充电的论文发表数量呈上升趋势，耦合式无线充电技术得到快速的发展，并成为学术研究和申请专利的重点领域。从文献调研的关键词可以看出，磁耦合无线充电技术在电动汽车领域已有充分的研究和应用。

4.2 磁耦合式无线电能传输（MC-WPT）的主要形式

随着近几年无线电能传输科技的迅猛发展和不断改进，磁耦合无线电能传输技术（MC-WPT）又可以分成3种形式，即MCI-WPT（磁耦合感应式）、MCR-WPT（磁耦合谐振式）及MCB-WPT（磁耦合双模式）［6］，如表2所示。

表2 磁耦合感应式、磁耦合谐振式、磁耦合双模式WPT的工作原理对比

通过对比这磁耦合无线电能传输3种模式的工作原理，可以得知，磁耦合感应式在感应区范围内的无线传输效率高，而磁耦合谐振式在谐振区范围内的无线传输效率高，磁耦合双模式就是在两种磁耦合之间加入了转换开关组，既可以实现在感应区的高效率无线传输，又可以实现在谐振区范围的高效率无线传输，并且能在这两种模式下自由切换，从而大幅提高了电能的无线传输效率。

4.3 磁耦合式无线电能传输（MC-WPT）在多旋翼无人机领域的应用

在国内外数据库检索关键词“无人机”“磁耦合”“无线充电”显示，相关文献较少，密切相关文献中文1篇、外文1篇、专利20篇。2篇文献的主要研究方向仍然是在保证无线充电系统安全性和稳定性的基础上最大限度地提高无线充电效率和充电功率，他们的理论推导和实验研究表明，通过增加线圈匝数［7］、调整线圈位置，并根据磁耦合机构的特征设计出来的控制策略［8］，可以显著提高无线充电效率。

这些文献关于磁耦合式无线充电技术在无人机应用领域的研究相对较少，固定翼无人机的无线充电技术已有少量专利申请，而多旋翼无人机主要集中在磁耦合谐振式无线充电技术的专利申请，但装置在无人机上的接收器呈现重量轻、体积小的特点，且无线电能传输效率均在85%以上。目前，双模式无线电能传输（MCB-WPT）仍未见专利申请。

5 总结与展望

本文运用文献分析法和大为专利检索分析法，系统地对国内外关于多旋翼无人机（UAV）无线充电技术的发展过程进行梳理和总结，通过厘清学术界在相关领域的研究思路，可以得出明确的结论：迄今为止，无人机最优的无线充电技术当属磁耦合双模式无线电能传输（MCB-WPT）。当然，磁耦合双模式WPT 技术还有很大的提升空间，除了可以进一步提高其传输效率，还可以从耦合结构的材料和性能的方面着手，设计出轻巧、便捷的无线充电系统，无人机作业半径小、续航时间短的屏障就会被进一步打破。