基于磁耦合共振模式无线传能的无人机自助充电平台设计毕业论文
2021-11-17 11:11
论文总字数：16509字
摘 要
无线能量传输是不经有线电气连接、实现能量由空间电磁场从一端传递至另一端的物理过程，具体有辐射传输法、电磁感应传输法、磁耦合谐振传输法。折中考虑传输距离和效率等因素，本文将采用磁耦合谐振传输法来实现对无人机进行无线充电。
本文借助电磁仿真软件FekoTM仿真设计了一套磁耦合谐振无线能量传输线圈，包括了馈电线圈、次级发射线圈、次级接收线圈、负载线圈，我们通过仿真游湖使其在13.56MHz处达到最佳耦合点，并且完成了整套系统的搭建，并使用仪器对其进行测试，测试结果显示：其在13.56MHz的效率达到了60%，与我们使用FekoTM仿真得到的结果大致相同。
研究结果表明，依据耦合理论，我们可以设计出一套满足市场标准且适用于无人机无线充电的线圈，以及搭建一整套无线充电系统。
本文的特色在于使用磁耦合谐振模式与无人机相结合，设计出一套适用于无人机的无线充电线圈，来解决无人机续航时间短的问题。
关键词：磁耦合；无线能量传输；无人机;自助充电
Abstract
Wireless energy transmission is a physical process in which the energy is transferred from one end of space electromagnetic field to the other without wire electrical connection, including radiation transmission, electromagnetic induction transmission and magnetic coupling resonance transmission. In this paper, the magnetic coupling resonance transmission method is used to realize the wireless charging of UAV.
In this paper, with the help of the electromagnetic simulation software FekoTM, a set of magnetic coupling resonance wireless energy transmission coil is designed, including the feeding coil, the secondary transmitting coil, the secondary receiving coil and the load coil,Its efficiency is 60% at 13.56 MHz, which is almost the same as that of Fekotm simulation.
The research results show that, according to the coupling theory, we can design a set of coils that meet the market standard and are suitable for UAV wireless charging, and build a set of wireless charging system.
The feature of this paper is to design a set of wireless charging coil which is suitable for UAV by combining the magnetic coupling resonance mode with UAV, so as to solve the problem of short endurance of UAV.
Key Words：Magnetic coupling；Wireless power transfer；UAV；Self-help charging
目 录
摘 要
Abstract
1.1研究背景与意义 3
1.2国内外研究现状 3
1.3本文研究内容 4
第2章无线能量传输系统原理
2.1无线能量传输系统 5
2.1.1四线圈结构 6
2.1.2整流电路 6
2.1.3逆变电路 6
2.2磁耦合谐振 6
2.3等效电路计算 7
2.4电磁仿真分析计算 9
2.5小结 10
第3章线圈优化设计与仿真分析
3.1线圈仿真 10
3.2线圈优化 12
3.3仿真结果分析 14
第4章无线充电平台搭建与测试
4.1线圈制作 15
4.2线圈测试 16
4.3小结 18
第5章总结与展望
5.1总结 18
5.2展望 19
参考文献
致谢
第1章绪 论
1.1研究背景与意义
近年来无人机技术飞速发展，应用范围从最初专用于军事，现在扩展到农业、地质、救灾等许多领域 [1]。随着应用场合的增多，无人机将面对多变的环境、复杂的任务，另外，无人机也越来越多地应用于各种巡检活动，但由于无人机严重受限于电池容量小，续航时间短的特性，传统的充电方式难以解决无人机长时间自主执行巡线任务的问题[2]。故我们提出了无人机自助无线充电的方式，使无人机可以实现在低电量自动寻找无线充电平台进行充电，在其电量充满后可以自动继续进行巡航作业，此举省去了传统有线充电的繁琐，提高了无人机执行任务的自动化程度，顺应无人机的发展趋势[3]。
根据能量传输机理来说无线能量传输模式可分为三种类型：辐射传输法，电磁感应传输法和磁耦合谐振法，基于不同原理的无线充电在不同领域有着不同的应用[4]。电磁感应传输法的原理是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势，此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流，依此来传输能量，电磁感应的优点是原理简单、成本低、效率较高，但是它的传输距离较短[5]。辐射传输法是以高能量的微波束来传输能量[6]，具有传输距离远效率高的特点，但是高能量的微波束不适合在人类聚集的地方使用，会对人体造成严重的伤害。磁耦合谐振模式是使发射线圈和传输线圈的谐振频率一致使其处于强磁耦合状态[7]，从而实现高效的能量传输，磁耦合谐振可以实现中距（米级）的无线能量传输，非常适合无人机的工作场合，本文将采用磁耦合模式。
1.2国内外研究现状
国外的研究起步较早，在磁耦合谐振无线能量传输方面，2007年MIT的Soljaci Marin教授使用磁耦合谐振莫斯成功实现了在2 m的距离外点亮了一个60 W灯泡，传输效率达到了40% [8]。日本昭和飞机对电磁感应式电动汽车无线充电系统进行实验，设定频率为 22KHz，传输距离为 14 cm，最终实现 30 kW 的能量传输和 92%的传输效率[9]。 由此可见磁耦合无线能量传输模式可以有效的解决米级的无线能量传输的问题。
辐射传输方面，远距离的无线能量传输对人类能源获取方式意义重大。日本三菱重工业于2015年2月24日成功完成了500米无线电力传输技术实验[11]。将10千瓦的电力转换成微波，通过天线传输给500米外的面板接收装置，再将接收到的微波还原成电力，最终用电力点亮发光二极管。500米的传输距离是当前日本同类实验中的最长距离。这项技术的突破为远距离电力传输打下了坚实的基础。由此也可以看出，微波传输法具有很强大的远距离传输的能力。
而在电磁感应无线能量传输方面，无线充电联盟推出来无线充电标准Qi协议，不同的产品只要支持Qi协议都可以使用Qi的充电器进行充电，这项技术广泛的应用在我们的生活之中，我们日常使用的支持无线充电的智能电子设备大多数是支持Qi协议。
图1.4 三菱重工远距离无线传输实验
国内无线能量传输技术的研究起步较晚但也取得了一些成绩。中国科学院电工研究所在2011年8月设计完成了一个用于手机充电的小型磁谐振耦合无线能量传输系统，其传输距离可达40 cm，效率最高可达52%（距离32 cm），所传输功率为4 W。
在未来辐射传输法将更加广泛的应用在我们的生活之中，它的传输距离更远，而且拥有更高的效率，但是它有辐射这一重大缺点需要去解决[12]。而电磁感应无线能量传输方法已经广泛的应用在我们的生活之中，我们使用的无线充电手机和无线充电牙刷，但是对于给无人机这种高功率用电器充电还是略有不足。磁耦合谐振传输法较电磁感应模式的传输距离更远，并且有更高的传输效率，并且可以驱动无人机电池这种功率比较大的负载，更加的适合无人机的工作环境，本文将采用磁耦合谐振方法来完成对无人机的无线充电。
1.3本文研究内容
本文研究的是设计一套适用于无人机无线充电的平面螺旋线圈天线，保持发射线圈和接受线圈的谐振频率一致，当信号源的高频信号被功率放大器放大到达在地面无线充电平台的发射线圈后，在周围空间产生固定频率的交变电磁场，接收线圈安装在无人机上，当无人机落在无线充电平台后，可对无人机进行无线充电，无人机充电完成后无人机可以继续进行工作。购买线圈材料进行制作线圈，制作整流电路，完成整套系统的搭建，本文的研究内容如下所示：
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