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永不着陆的智能飞行器!


无人机实现无限续航?





深夜时分,几架无人机仍在山地争分夺秒地执行任务,它们负责搜索在突然爆发的山洪中受困的游客。突然,电量告急!但无人机对区域的搜索只进行了一半,返回充电或派出新机都将极大地耽误救援时间,该怎么办?


近日,西北工业大学光电与智能研究院李学龙教授和同事们在“光动无人机”(Optics-driven Drone,ODD)方面的研究取得突破性进展:利用智能信息传输处理和高能激光等技术,成功实现了对无人机的全天时智能视觉跟瞄和自主远程能量补充,开启了我国无限续航无人机的探索,实现了光电与智能学科的交叉融合,是“临地安防”的典型应用之一。无人机的“短板”或要彻底被打破了!


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光动无人机(ODD)系统整体示意图





传统无人机的短板


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西工大发明的新型无人机,名为“光动无人机”,顾名思义就是以光作为动力,而这个“光”指的就是激光。

西工大的研究人员在无人机上搭载了特制机载光电转换模块,通过对无人机的全天智能视觉跟瞄,来锁定无人机,用高能激光束对其远程供能,再将光能转换为电能后,就能让无人机具备无限续航能力,实现永不着陆!


说起无人机的短板,很多人第一反应都会是“续航”。因为无人机螺旋桨的电机需要不停地输入电流才能转动螺旋桨来实现飞行,再加上各种芯片以及无线传输信号、摄像头等,都需要一定的电流来支持,这就导致无人机十分费电。


以行业龙头企业大疆为例,大疆采用的是锂聚合物电池,这种电池优势就是能量密度更高更轻便。但受制于目前的科技水平,大多数无人机的续航时间都仅在1小时之内。工作效率比较低下,很难在复杂耗时的任务中发挥作用。然而,偏偏无人机的应用场景又十分广泛,比如通过搭载高清摄像头,为灾区提供实时航拍,对灾后的搜救工作发挥作用。或是搭载多光谱传感器及红外热成像仪用在农田的植被监测上,来更好的管理和保护农作物。所以,让无人机的续航更上一层楼就显得尤为重要。





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为解决此类问题,西北工业大学光电与智能研究院李学龙教授和同事们开展了光动无人机(Optics-driven Drone,ODD)的研究。该项研究使用高能激光对无人机进行远程供能,并在无人机上搭载特制机载光电转换模块,将光能转换为电能。该研究结合了智能信号传输与处理技术,实现了远程供能的自主化,使无人机具备了无限续航能力,实现了光学工程和人工智能的学科交叉,是“临地安防”的典型应用之一。




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太阳能无人机




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这时,就有人提出,把太阳能面板加装到无人机上,有阳光时发电并把电储存起来,到了夜间再用不就好了?想得还是太简单了。


虽然自美国人罗素·奥尔发明现代太阳能发电技术至今已经过去了整整78年,但如今太阳能电池的转化率与其他能源相比还是很低。目前,理想状态下每立方米太阳能电池也只能转化0.6~0.8度的电。无人机要想实现长时间续航,面板太小功率肯定跟不上。而且一旦白天储存的电量不能满足夜间使用,那么无人机的留空时间就十分有限了。


如果通过增加太阳能面板来增加发电的话,那无人机的阻力也会增大,进而增加耗电率,电机的力效随着油门的升高而降低的话,甚至会出现飞不起来的局面。





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因此,目前太阳能面板在常规无人机中很难见到,反而是大型无人机领域较为常见。比如我国的“启明星-50”,是我国第一款以太阳能为唯一动力源的全电大型无人机。其铺满太阳能面板的机翼翼展长达50米,相当于28辆小轿车并列排放的宽度。

正当各国都在为无人机的续航一筹莫展时,我国却换道超车,研发出了“光动无人机”技术。




光动无人机





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光动无人机(ODD)设计图




激光充能其实并不是最新才出现的技术,早在2016年10月,俄罗斯“能源”火箭航天公司就曾在一栋楼的六楼安装了激光充能装置,并在1.5千米外的另一栋楼楼顶安装了10厘米的导光板,它能对激光进行精确感应,再接入常规移动电话的充电口后,借助仪器将光能转化为电能,成功在1小时内为手机充了电。


西工大研发的“光动无人机”技术与其类似,从地面或空间站发射出的激光光束被机身上的接收器转化成动力后,理论上来讲,就可以支持无人机不间断地工作。执行任务时的自由度和可能性也会大大提升,甚至还能实现“低空卫星”、“人造月亮”等工作。


光动无人机主要具有三点技术优势:智能化、自适应和安全性。


首先,为了稳定精准地跟瞄和预测无人机目标,课题组提出了一种面向复杂变化目标的智能视觉追踪算法,具备良好的光照、尺度、旋转自适应性,使视觉追踪具有更强的环境适应性,实现精准定位无人机的作用。

其次,为了消除大气的流动与密度变化对激光束的影响,课题组提出了一种自适应光束赋形技术,能够实现对光束强度分布的自主动态调节,提高长距离激光能量传输的有效性和可靠性。


最后,为了确保光束路径范围的安全,课题组提出了障碍物判定和激光功率自主调节的方法,能够根据目标物的反射特征等判定方法及时发现障碍物,并将激光功率自主调节至安全范围。


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实验展示室内跟瞄飞行



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室外日间飞行


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室外夜间飞行




近年来,中国无人机行业快速发展,无人机应用场景不断拓展加深。光动无人机作为光学工程与人工智能学科交叉所诞生的产物,摆脱了续航限制,将为无人机行业提供新的发展及应用思路。


首先,无人机可以飞得更高更远。借助高功率激光束供能,无人机能够实现超大范围巡航,其执行任务的自由度与可能性都将极大提升,甚至实现“低空卫星”“人造月亮”等作用。其次,无人机集群组织更为便利。通过自主的地对空、一对多无线充电,无人机集群协同的优势和效率将进一步放大。


光动无人机将有望深度参与社会治理,如交通管控、治安巡逻、灾害救援、无接触式物流配送等。在未来,这种具有无限续航能力的无人机还可能在我们对空天地海的探索与遨游中发挥重要作用。





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