你是否設(shè)想過某一天你下單的快遞由無人機送到你的手里？空中作業(yè)機器人在我們生活中有許多應(yīng)用，如高空電力巡檢、空中物流、農(nóng)業(yè)植保等，其中制約空中作業(yè)機器人工作的一個問題就是續(xù)航問題。如在空中物流作業(yè)中，無人機續(xù)航只有20-30分鐘，可能物品還沒運送到目的地就沒電了，如何低成本、高效率的解決空中作業(yè)機器人的續(xù)航問題，是空中機器人走向大規(guī)模工業(yè)化和民用的一個關(guān)鍵之問。

目前解決無人機續(xù)航問題的有以下技術(shù)方案：

（1）無線感應(yīng)充電技術(shù)

無線感應(yīng)充電技術(shù)分為磁感應(yīng)式充電技術(shù)和磁共振式充電技術(shù)，磁感應(yīng)式充電技術(shù)通過接近發(fā)射線圈的方式感應(yīng)其中的電流變化，從而實現(xiàn)無線充電，磁感應(yīng)方式充電原理簡單，但其感應(yīng)距離僅有數(shù)厘米。而磁共振式充電技術(shù)在磁感應(yīng)技術(shù)的基礎(chǔ)上要求發(fā)射線圈和接受線圈具有相同的共振頻率，充電感應(yīng)距離可達(dá)數(shù)米。圖（a）所示為zhou等設(shè)計的一種小型磁感應(yīng)技術(shù)無人機充電裝置，該裝置能夠在10cm的距離內(nèi)保持高于93.6%的傳輸效率，但其傳輸功率較小，無人機需要實現(xiàn)高精度自主降落功能。圖(b)為Global Energy Transmission（GET）公司研發(fā)的大型無線充電裝置，一架電動工業(yè)級無人機只需在電網(wǎng)上盤旋6分鐘就能充滿電，無人機充滿點后，可以一直飛行到電池快要用盡的時候，然后再進行充電，如此反復(fù)，不用著陸或連接電纜。

（2）激光充電技術(shù)

激光充電技術(shù)將激光發(fā)射裝置布置到地面，向無人機定向發(fā)射激光，無人機上的激光接收裝置再將接收到的能量轉(zhuǎn)化為電能實現(xiàn)無人機的空中充電，圖3和圖4展示了無人機激光充電的原理。在相同的發(fā)射機和接收機尺寸和功率的情況下，激光充電技術(shù)在理論上可以達(dá)到數(shù)百米的距離，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過磁共振式充電技術(shù)。激光接收裝置可以做到小體積，容易集成到無人機上。同時激光傳輸?shù)哪芰恐谎刂馐M行傳輸，不會對其周圍的電子設(shè)備造成電磁干擾，保證了其周圍工作設(shè)備的安全性。2012年，洛克希德·馬丁公司在LaserMotive的幫助下，使用基于激光的充電系統(tǒng)演示了其“跟蹤者”（Stalker）無人機（重達(dá)17.5磅）連續(xù)飛行了48小時。無人機激光充電技術(shù)雖具有種種優(yōu)點，但是無人機的大功率遠(yuǎn)程傳輸還有些關(guān)鍵問題需要解決，如激光發(fā)射的對準(zhǔn)問題，遠(yuǎn)距離能量傳輸?shù)?，待其技術(shù)成熟還需漫長的等待時間。

（3）定點換電技術(shù)

當(dāng)無人機沒電時，會自動定點降落到離無人機最近距離布置的無人機換電站上，進行電池的更換。對于換下來的電池?fù)Q電站會自動進行充電，換電原理如圖5所示。采用換電技術(shù)無人機能夠在短時間內(nèi)重新獲取能量，賦能效率高。換電技術(shù)涉及到無人機的定點高精度降落，并與換電站機械臂搭配實現(xiàn)換電，是目前空中運輸機器人的主要運用技術(shù)。圖6所示為以色列Airobotics公司研發(fā)的無人機換電站，目前以色列批準(zhǔn)Airobotics公司研發(fā)的無人機可以在無人操作的情況下飛行，Airobotics成為全球首家獲得此類批準(zhǔn)的公司。

（4）飛行電池技術(shù)

飛行電池技術(shù)由Karan等作者提出，當(dāng)主飛行器在空中使用主電池執(zhí)行任務(wù)時，飛行電池可以飛向主四軸飛行器并停靠到其上面。然后主四軸飛行器將其電池切換到二次電池。一旦二次電池耗盡，會有另外一個電池替代，如此循環(huán)重復(fù)直到主電池耗盡。主電池只在飛向電池脫離時使用，采用此方法可以大大提高無人機的續(xù)航時間。如圖7所示為飛行電池的工作方式，飛行電池在充滿電后與主飛行器對接實現(xiàn)電池切換，切換完成后自主返回實現(xiàn)地面充電，圖8為個飛行電池即將?？吭谥魉男頇C上的圖示說明。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)在一次飛行中通過多次切換電池實現(xiàn)了57分鐘的續(xù)航時間，而不采用該技術(shù)無人機只有12分鐘的續(xù)航時間。

在這個技術(shù)中，主飛行器無需降落即可實現(xiàn)電池的更換，但也僅僅是延長了續(xù)航時間，當(dāng)主飛行器沒電時還需為其主電池充電，未來或也可嘗試采用飛行電池更換主飛行器主電池的方式實現(xiàn)無人機的一直續(xù)航。

空中作業(yè)機器人的續(xù)航方式有很多，但目前市場情況來看無人機充電技術(shù)還在迭代，相信不久的將來無人機充電的問題會被慢慢解決。

參考文獻

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本文共1675字

由西湖大學(xué)智能無人系統(tǒng)實驗室工程師丁蘇生原創(chuàng)

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