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設備與工具你是否設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)化和民用的一個關鍵之問。
目前解決無人機續(xù)航問題的有以下技術方案：
（1）無線感應充電技術
（a）zhou等小型無線充電裝置/（b）GET公司的大型無線充電裝置
圖1 無人機無線充電裝置
無線感應充電技術分為磁感應式充電技術和磁共振式充電技術，磁感應式充電技術通過接近發(fā)射線圈的方式感應其中的電流變化，從而實現(xiàn)無線充電，磁感應方式充電原理簡單，但其感應距離僅有數(shù)厘米。而磁共振式充電技術在磁感應技術的基礎上要求發(fā)射線圈和接受線圈具有相同的共振頻率，充電感應距離可達數(shù)米。圖（a）所示為zhou等設計的一種小型磁感應技術無人機充電裝置，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，不用著陸或連接電纜。
（2）激光充電技術
圖3無人機空中激光充電原理/圖4 無人機空中激光充電圖示
激光充電技術將激光發(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，激光充電技術在理論上可以達到數(shù)百米的距離，遠遠超過磁共振式充電技術。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備造成電磁干擾，保證了其周圍工作設備的安全性。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17.5磅）連續(xù)飛行了48小時。無人機激光充電技術雖具有種種優(yōu)點，但是無人機的大功率遠程傳輸還有些關鍵問題需要解決，如激光發(fā)射的對準問題，遠距離能量傳輸?shù)?，待其技術成熟還需漫長的等待時間。
（3）定點換電技術
圖5 無人機定點換電技術
圖6 Airobotics公司研發(fā)的自主換電無人機
當無人機沒電時，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。對于換下來的電池換電站會自動進行充電，換電原理如圖5所示。采用換電技術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。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的公司。
（4）飛行電池技術
圖7 飛行電池技術實現(xiàn)原理/ 圖8 Karan等作者提出的飛行電池技術
飛行電池技術由Karan等作者提出，當主飛行器在空中使用主電池執(zhí)行任務時，飛行電池可以飛向主四軸飛行器并?？康狡渖厦妗Ｈ缓笾魉妮S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，而不采用該技術無人機只有12分鐘的續(xù)航時間。
在這個技術中，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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歡迎來到西湖大學智能無人系統(tǒng)實驗室！我們的實驗室專注于小型無人機（UAV）的基本理論和新應用。技術研究領域包括（i）單無人機的制導，導航和控制，（ii）多無人機的集群系統(tǒng)，以及（iii）基于視覺和其他類型的傳感器的智能傳感系統(tǒng)。目前，我們有十多個小組成員，包括博士后，博士生，研究助理和訪問學生。他們都畢業(yè)于中國和海外的頂尖大學。我們擁有一流的實驗設備，如Vicon，動作捕捉系統(tǒng)和各種實驗無人機平臺。
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