■深圳实验学校高中部 金鹏飞 李柏翰 李 阳

续航时间短是制约无人机产业发展的重要原因。若无人机续航能力难以提升，也就意味着其执行任务的能力受限，无法发挥其最大优势，进而影响无人机产业的进一步发展。因此，如何提升无人机的续航能力成为当前业内研究的重点。

目前，行业内主要采用提升无人机自身续航能力、使用外部设备对无人机进行能源补给两种方式来应对。在提升续航能力方面，太阳能无人机是目前的研究重点。

使用外部设备为无人机补给能源也是当前无人机相关产业的重点发展方向，目前主要有无线充电、机械式电池更换、激光发射器、接触式充电等方式。

我们计划采用两种较有效、可行性强的方案，即无人机接触式充电与无线充电。接触式充电在其他设备上的应用已发展得相当成熟，其结构较精简。无线充电方案的优势在于其结构相对简单，部署成本低，对无人机停泊的精确性无过高要求，容错率很高，对不同机型的兼容性强。同时，无线充电技术的应用前景相当广阔，发展相对成熟。

我们主要从接触式充电方案与无线充电方案两个方面展开研究，设计了无人机接触式充电平台与无人机无线充电平台，并探索其应用场景与可能出现的问题。

一、校准接口式充电平台

1.主体结构

校准接口式充电平台通过校准结构的应用，合理地解决了无人机在起降过程中的漂移问题，在与平台对接时也可起到辅助校准的作用。我们还设计了一个平台整合架构，用于连接固定停泊平台与平台电源。

在降落过程中依靠校准孔位对无人机进行引导，可消除大部分由于降落气流产生的随机性漂移，从而使其准确地停泊在平台上。

图1 整合架构

图2 校准示意图

2.直流电源内部电路

平台电源主要由输入端变压器、电流电压显示屏、电源开关、整流电路板、调节旋钮、散热器与输出端构成，输入端变压器连接220V 交流电源，初步变压变为低压交流电后经整流电路板调整，输出低压直流电，部分为电源散热器供电，主要经输出端输出至平台充电触点。操作者可通过调节旋钮调节输出电压的大小。

3.校准式接口平台电路

将电源输出正极与校准接口下方连接，负极与校准接口上方连接。无人机经校准后，机身接口与平台接口吻合，即可构成闭合回路，为无人机电池供电。

4.校准接口无人机内部改进

为适配第二代校准接触式充电平台，我们将电池内部接口延长至机身外，分别连接位于绝缘的校准接口上端与底端的充电触点。停泊后，无人机底端触点与平台上的触点构成闭合回路，即可充电。

二、无线充电自校准平台

1.主体结构

为解决接触式充电带来的一系列系统性问题，我们决定采用无线充电方案的同时，利用太阳能弥补无线充电的损耗问题。

在降落过程中产生的随机性漂移使无人机在平台上的停泊位置与充电线圈发射位产生偏离，从而导致无线充电效率下降。为解决这一问题，无线充电平台采用机械校准方案。左侧红外传感器判断无人机是否正在停泊，确认无人机着陆后，固定电机组带动校准杠转动，从而使x 轴向定位杠向中间合拢，无人机即可准确停泊在无线充电发射线圈中心。

图3 平台俯视图

2.直流电源内部电路

为搭载太阳能板，我们在无线充电平台的电路上增加了太阳能电池连接端口。而第二代平台增加了机械校准系统，需要额外供电，平台内部电路需进行相应改动。相比之前增加了一个稳压整流器B、校准系统输出端口为校准系统供电。

图4 无人机无线充电内部电路实物图

3.无线充电平台电路

将平台上的线圈与电源连接，根据法拉第电磁感应原理，停泊在平台上的无人机无线充电天空端线圈激发出感应电流，后经由调整端整流后输入无人机电池。电源的机械校准输出端与分压器连接，为红外传感器与固定电机供电，使机械校准系统得以正常工作。无线充电输出端与控制端连接。

图5 平台电路实物图

4.无线充电无人机结构改进

由于采用了无线充电技术，无人机需安装相应的无线充电接收模块。模块主要由接收线圈与整流输入端构成，接收线圈接收平台发射的无线电波，经整流输入端调整后输入无人机电池，以此完成充电。

三、实验测试

1.测定平台充、放电效率

将无人机分别放电至10%、30%与50%，让3 种状态下的无人机在平台上充电，每隔1 min 测定无人机电池当前的电压。本实验依据无人机业内主流方法，即通过观察电池电压的变化对电池电量进行估算（为保证无人机的相关元件正常工作，电池电压对无人机续航的影响较电池电量更有代表性）。

图6 3 种电量状态下的电压变化曲线图

随着电池电量逐渐增加，电池电压也在不断升高，由于其逐渐接近充电电压，电池内部电压与电源电压之间的差减小，因此，平台充电的速度也开始变慢。

2.温度对无人机充电平台工作效率的影响

将无人机的电量放至50%，在15℃、20℃、25℃的环境下，分别测定无人机在平台上的充电情况，以1min 为间隔，检测无人机电池的电压。

图7 3 种温度状态下电池充电电压变化曲线图

3 种温度状态下，电池充电电压变化曲线有一定的差距，大致可判断，随外界温度下降，平台充电速度变慢。

我们咨询专业人士并根据相关资料分析后得出，随着外界温度下降，锂电池的内部化学活性降低，充电速率会相应变慢，同时电池充电电量上限也会变小。

3.无人机与磁芯偏移距离对无线充电效率的影响

将无人机内部电量耗尽后置于平台上，以偏移磁芯0cm、2cm、3cm 进行充电，每隔1min 测量电压。

图8 3 种不同磁芯偏移距离下的电压变化曲线图

从图8 可以看出，无人机距离磁芯位置越远，充电效率越低。该实验进一步证明了在无线充电方案中设置机械校准系统的必要性。

四、项目应用

无人机充电平台因其结构简单、体积小巧、造价低廉，可以灵活地、大范围地部署在街道旁，通过安装信号中转器，警局控制中心可直接操控部署在该街道的无人机，进行日常自动化巡逻。

图9 无人机返回平台

无人机充电平台还可与5G、人工智能等技术有机结合，实现无人机全面自动化、高效率的大规模应用。未来，该项目可在自动化与平台适配场景上进一步完善。