基於多能源系統交互的林區巡檢無人機無線充電基站技術應用案例

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基於多能源系統交互的林區巡檢無人機無線充電基站技術應用案例森林作為地球上可再生資源及陸地生態系統的主體，對森林資源進行高效、準確巡檢是保證林業生態安全和經濟效益以及實現林業管理現代化的關鍵。

目錄

一、應用場景

顯然，探究一種新型林區巡檢方法已經成為智能化林業管理中一項關鍵課題。森林資源基礎數據、辦公、巡護監測、網絡互通等基礎設施缺乏，管護工作還停留在以人工巡護為主的階段，森林火災發生後，不能得到及時撲救，從而破壞森林植被，影響生態系統的穩定性。相較於傳統林區巡檢方法，旋翼無人機實現全方位、多維度、無人值守的自主化作業。黑龍江省森工林區國有林區主要發源地和涵養地，生態地位十分重要。2017年在黑龍江省森工林區運用該技術開展以林區巡檢無人機自主化作業。

二、主要解決的問題

(1)極大地降低人工巡檢的勞動強度與時間成本，並且提升惡劣林區環境下工作人員的安全性;

(2)旋翼無人機實時準確地獲取多尺度、多時相、高分辨率的信息，提升林區作業的智能化水平，滿足智慧林業建設的客觀需求；

(3)利用旋翼無人機搭載的多類型信息採集設備，結合無人機遙感技術並輔助以北斗衛星導航系統的定位技術，實現高效、精準、可靠的廣域林區巡檢。

三、技術要點

該技術從「能量來源--能量補充--能量存續」三個維度展開工作，旨在構建一套面向林區巡檢無人機的高能效無線充電系統。光儲一體化多能源系統與無線充電系統協同交互，為無線充電系統提供便捷、穩定、清潔的能量來源；具備輕量緊湊化高性能接收端的無線充電系統為旋翼無人機能量補充提供平台支撐；高效率恆流/恆壓充電是能量存續時無線充電系統穩定、可靠運行的關鍵技術。

① 多能源系統建模分析及與無線充電系統協同交互光儲一體化多能源系統為複雜林區環境下無線充電系統離網運行提供長期穩定的能量來源，是實現林區巡檢無人機自主電能補充的關鍵。以協同優化、交互響應、高效利用為目標，展開如下研究工作：

1) 構建多能源系統交互模型，分析光伏發電與電池儲能的功率特性，研究多能量流計算及其優化求解方法；

2) 結合多能源系統的電氣外特性，研究多能源系統與無線充電系統的接口形式，構建高效的能量交互模型；

3) 分析多能源系統與無線充電系統之間能量流動模式及其解耦機制，研究能量均衡調度以及高效管理策略；

② 輕量緊湊化高性能接收端的構型設計與優化方法受限於旋翼無人機的有效載荷和改造成本，其上搭載的無線充電接收端應具備輕量緊湊化構型、強抗偏移適應性等特點，保證無線充電接收端與旋翼無人機的高效適配。從補償拓撲和磁耦合機構角度出發，展開如下研究工作：

1) 分析不同類型補償拓撲的構型特點與功率特性，研究其與無線充電系統工作性能的內在關聯，探究無源元件最少化的補償拓撲設計方法；

2) 設計與旋翼無人機結構匹配的磁耦合機構，採用有限元仿真分析其耦合性能、偏移性能、空間磁場，研究基于田口算法的參數優化策略；

3) 採用電路模型分析諧振線圈和諧振電容的電氣特性，研究基於功率容量優化的低成本高性能無源元件輕量緊湊化設計及其參數匹配方法。

③ 基於高性能充電與降損提效的能量協同調度策略旋翼無人機充電時，鋰電池等效負載電阻動態變化導致無線充電系統的輸出不穩定、電能品質下降、系統效率降低等問題。為保證無線充電系統高效、穩定、可靠的能量調度，從電路拓撲和魯棒控制角度出發，展開如下研究工作：

1) 構建能效提升用功率電路及其穩態模型，研究等效負載電阻對無線充電系統性能參數的影響機理，分析性能參數間耦合關係；

2) 分析原邊電氣參量與負載充電參數之間函數關係，研究基於原邊升壓逆變器與副邊有源整流器的充電控制以及效率提升策略；

3) 分析系統功率元件的損耗產生機理，構建損耗與效率之間數學模型，研究基於原邊動態調頻與全波可控電容的降損提效方法。

四、應用成效

森林資源信息系統的基礎數據整合統一、網絡互聯互通、信息綜合管理、智能巡護監測，實現森林資源現狀和變化信息實時查詢調閱和高效利用，提高森林資源管理的信息化水平。深入地挖掘面向林區巡檢無人機的高能效無線充電系統涉及的若干關鍵技術，推動無人值守化林區巡檢的應用進程，助力智慧林業的不斷發展。

五、適用範圍

該技術適用於全天候全地形無人值守化的林區巡檢場合，並且尤其適宜處於高寒地區的東北林區。