摘要
无线电能传输技术摆脱了物理介质的束缚，具有灵活、可靠、安全等优点，在无人机领域应用越来越广泛。无人机无线充电系统中常采用的Zigbee、蓝牙、WiFi等广域通信方式接入时间较长，存在非“点对点”传输情况，不具备身份识别功能，无法应对多无人机及多机舱环境。提出了一种基于信号线圈的多无人机身份识别方法，仿真研究2套耦合机构之间交叉耦合影响，设计了一套应用于多无人机及机舱环境下能量信号同步传输的无线电能传输系统。最后搭建了无人机无线电能传输系统进行实验验证，实验结果表明基于信号线圈可以快速有效进行无人机及机舱的身份识别，可识别无人机身份的点对点近场通信方式以应对多无人机无线充电场景，能量信号同步传输的分离通道传输模式具有两通道物理结构独立，避免传统通信方式干扰，保障充电的安全性与可靠性。。
无线电能传输技术由于其特有的灵活性与安全性在手机、家电等领域得到广泛应用。其中无线充电技术在无人机领域的应用满足了无人机充电的灵活性需求，提升了无人机续航里程，提高了无人机巡检的自主化与智能化水
在无线充电过程中，系统的原副边装置需要采用无线通信技术实现信息交互，通常包括蓝牙、WIFI、Zigbee及2.4G等广域通信技
在无线电能传输系统中基于信号线圈的能量信号同步传输方式可以有效实现原副边信息交互，但是共享通道式信号传输干扰较
因此笔者基于无人机2条脚支架的物理结构分别构建了能量信号通道，实现了能量通道与信号通道的解耦，保证了功率传输与信号传输的稳定性。研究基于信号线圈的分离通道式能量信号同传的通信方式实现多无人机身份识别功能，避免传统通信方式的干扰，保障充电的安全性与可靠性。
由于无人机接收端体积有限，因此对于耦合机构的轻量化特性具有严格的要求。其中螺旋管型线圈具有耦合系数高、体积小等优点，满足无人机无线充电系统需求。因此基于无人机2条脚支架的物理结构分别构建了能量信号通道，设计的耦合机构安装方式如
图1 耦合机构安装示意图
Fig. 1 Installation diagram of coupling mechanism
图2 耦合机构仿真模型图
Fig. 2 Simulation model of coupling mechanism
当给能量线圈与信号线圈通入励磁电流后，可以观察到空间磁场分布如
图3 能量磁场分布云图
Fig. 3 Energy and magnetic field distribution cloud map
能量传输通道电路拓扑如
图4 能量线圈电路拓扑
Fig. 4 Energy coil circuit topology
系统采用LCC-S的补偿拓扑，其具有原边恒流和副边恒压的输出特性，较好地满足了无人机无线充电需求。
对于LCC-S型WPT系统，当系统处于谐振状态时，系统参数满足下式
| 。 | （1） |
基于基尔霍夫电压定律（KVL），在忽略线圈内阻的条件下可以推导出原边发射线圈电流为
| 。 | （2） |
副边输出电压为
| ， | （3） |
式中，M为发射线圈与接收线圈的互感，可以看出系统的输出电压仅与互感、补偿线圈及输入电压有关，而与负载无关。因此在充电过程中负载变化不影响系统输出特性，降低了控制难度。
信号传输电路原理框图如
图5 信号传输电路原理框图
Fig. 5 Block diagram of signal transmission circuit
无人机能量信号同传无线充电系统实物如
图8 系统实物装置图
Fig. 8 Installation diagram of the system
通过以上的实验装置，输入电压为300 V，负载阻值为5 Ω，以垂直平面线圈作为接收端搭建实验平台。系统的输入电压电流与输出电压如
图9 实验电压电流波形图
Fig. 9 Experimental voltage and current waveform
可以看出无人机无线充电系统谐振状态良好，逆变器输出具有软开关特性，可以有效降低开关损耗提升系统效率。
原边分别发送不同的信息，通过信号调制与解调副边接收到不同的输出电压，如
图10 不同调制信号下输出电压波形
Fig. 10 Output voltage waveform under different modulation signals
在多无人机无线充电场景中传统的通信方式存在非“点对点”传输情况，不具备身份识别功能，存在通信混乱。基于无人机2条脚支架的物理结构分别构建了能量信号通道，实现了能量通道与信号通道的解耦，保证了在信号传输的同时实现功率稳定传输。基于信号线圈的分离通道式能量信号同传的通信方式实现了多无人机身份识别功能，避免了传统通信方式的干扰且有效实现了无人机与机舱的互操作性检测及身份鉴别，保障了充电的安全性与可靠性。
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