基于无线电能传输模式的无人机悬停无线充电技术研究

摘要

无人机（Unmanned Aerial Vehicle缩写UAV）是一种通过无线电实时遥控或者自身事先存储好的程序来控制的、具有携带多种功能设备执行各种任务的能力的、并且能够多次利用的航空器，因其具有结构简单、尺寸小、造价低、生存率高、使用灵活、适应性强、零伤亡等诸多优势，而被广泛应用于各个领域。但是，由于蓄电池技术和传统充供电技术的限制，使无人机续航能力、灵活性、便捷性等方面的发展受到了限制，如何灵活、便捷地为无人机补充电能成为了无人机发展过程中一个重要的发展方向和亟待解决的问题。为了解决这个问题，本文将无线电能传输技术应用到无人机充电技术上，提出基于无线电能传输模式的无人机悬停无线充电技术，设计了基于磁共振方式的无人机悬停无线充电电路，并且为了降低耦合机构的功率损耗，提高整个电路系统的功率传输能力，提出了基于动态调谐的恒频控制方法。
　　本文的主要研究工作有以下五个方面：
　　①分析了无人机的续航能力受限于蓄电池性能和传统充电方法的现状，简要介绍了目前应用于无人机的充电技术的研究现状，提出基于无线电能传输模式的无人机悬停无线充电技术。
　　②对目前几种主流的无线电能传输技术进行了简要介绍和比较，并详细阐述了用于分析近场耦合无线电能传输技术的互感耦合理论。在此基础上，分析了应用于无人机悬停无线充电的无线电能传输系统表现出来的特征：弱耦合、动态互感和动态负载。
　　③从耦合机构拓扑出发，就在弱耦合条件下如何进行高效地无线电能传输展开了研究，提出采用基于磁共振技术的无线电能传输系统，并建立了采用PSSS耦合拓扑结构的系统功率传输模型，在此基础上针对动态互感和动态负载的情况，对系统的功率传输特性进行了分析和优化。
　　④为了解决在恒频工作模式下系统发射线圈谐振网络会由于互感和负载的变化而失谐的问题，提出采用基于相控电感动态调谐的恒频控制策略，并详细阐述了通过相控电感调谐的工作原理、调谐支路参数设计方法以及恒频控制方法的实现方式，最后通过搭建系统模型进行仿真研究。
　　⑤搭建硬件实验平台，通过实验结果对本文所提出的技术方案进行研究。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 无人机充电技术的研究现状

1.3 课题研究目的及意义

1.4 论文主要内容及结构

1.5 本章小结

2 无人机悬停无线充电技术特征分析

2.1 引言

2.2 无线电能传输技术及分析方法简介

2.3 无人机悬停无线充电系统特征分析

2.4 本章小结

3 弱耦合条件下高效无线电能传输模式研究

3.1 引言

3.2 基于磁共振方式的无线电能传输系统拓扑

3.3 耦合机构功率传输模型

3.4 系统功率传输特性分析与优化

3.5 本章小结

4 互感和负载变化条件下基于动态调谐的恒频控制方法

4.1 引言

4.2 基于相控电感的动态调谐技术基本原理

4.3 基于动态调谐的恒频控制实现

4.4 仿真研究

4.5 本章小结

5 实验研究

5.1 引言

5.2 实验平台搭建

5.3 实验结果分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读硕士学位期间参与的项目情况

B. 攻读硕士学位期间获奖情况