摘要
旋翼无人机具有良好的商业价值和应用前景，在野外条件下工作的旋翼无人机可以节省人力并降低风险，但目前无人机普遍续航时间短，限制了其工作时间和半径，这在野外市电获取困难的情况下尤其突出。为解决上述问题，将分布式能源获取技术与无线能量传输技术相结合，本文设计了一种混合取能的旋翼无人机野外能量补给系统，该系统可分为混合取能子系统和无线充电子系统。 首先对混合取能子系统进行设计。建立电力线磁感应取能的等效模型并推导出取能功率与取能模块参数之间的关系式，并利用LTspice仿真研究讨论磁芯饱和对取能的影响和应对办法，同时对电力线取能模块的电路进行设计和选型；采用MATLAB绘制不同光照和温度下光伏面板输出的功率-电压曲线，讨论光伏取能的最大功率点跟踪（MPPT）可行性并确定了实现方法；采集能量的处理和储存问题则由自动切换电路、电池充电电路和系统蓄电池共同完成。 然后按照能量流动方向，将无线充电子系统分为发射端模块、谐振模块和接收端模块逐一设计。发射端模块能够进行精确的高频逆变，可在较大频率范围内进行频率扫描；子系统将串联-串联（SS）和LCC-串联（LCC-S）两种常见的谐振拓扑进行对比，通过等效电路、公式推导、参数扫描和有限元仿真等方法分别为两种拓扑设计耦合线圈并通过对比发现LCC-S线圈抗偏移性能更好。 最后根据需求设计各部分的控制逻辑，并测试和整合系统。为防止磁芯深度饱和并提高取能效率，电力线取能采用主动整流，取能窗口对齐感应电流峰值；利用扰动观察法调整发射端模块的逆变频率，消除器件偏差和频率分裂的影响，从而实现无线充电的MPPT；使用脉冲电流试探无人机降落状态以实现子系统的自动启停控制；整合充电基站部分并最终测试，该系统可以达到 4.8 W的电力线取能输入和15 W的光伏取能输入，12 V 输入电压时采用 LCC-S 拓扑在 50 mm 空气间隙下实现 26.35 W 的传输功率和 76.9%的效率，同时具有 75 mm 的抗偏移距离，能够有效实现各种自适应控制。
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