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只能飛半小時? 給無人機建個充電樁

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(圖片來源于網絡)

讓無人機飛上天是一回事,它能在天上飛多久就是另一回事了。當前無人機的續航時間大約為30分鐘左右,一塊外接電池的重量在半斤左右,能滿足一些航拍的需要,但在發生自然災害和深入搶險救災的現場,由于電池續航問題,就不能很好地發揮作用。即使是亞馬遜的送貨無人機只能覆蓋庫房附近數公里的范圍。

“如果能有‘無人機停靠站’,那無人機配送覆蓋面將大大增加。”北京交通大學學生孟鑫告訴記者,他的“用于延長多旋翼無人滯空時間的掛靠機械臂及無人機充電樁”項目正在申請國家專利,“無人機的應用領域很廣泛,但續航短的問題一直沒有得到根本解決。我的項目就是基于這個問題提出了兩種創新性的解決方案。”

12月3日,孟鑫帶著他的“寶貝”參加了北京市科學技術協會主辦的“第五屆大學生科技創新作品與專利成果展示推介會”。最終,孟鑫的項目在來自京津冀三地54所高校的179項專利成果、194件科技創新作品中脫穎而出,獲得先進制造業領域類一等獎暨創新金獎,以及創新對對碰活動最佳人氣獎。

充電第一步

給“無腳鳥”可依靠的機械臂

推介會主會場設在北京工業大學耿丹學院學生活動中心的羽毛球館和籃球館。開場當天人頭攢動,擁擠程度堪比高峰期的北京地鐵線。

說是“最佳人氣”倒真是很貼合實際。一整天,孟鑫都站在展臺前,耐心地向前來咨詢的科技迷們一遍遍地講解“寶貝”的功能。“我最初是想給無人機安裝一個能掛靠電線桿、路燈柱等柱狀設施的機械臂,幫助解決無人機長時間空中停靠的問題。”記者看到,這個所謂的“機械臂”就像人的左、右手臂一樣呈半環抱姿勢,剛好形成半個長圓型用來鉤住柱狀體。

項目指導老師、北京交通大學電子信息工程學院教師趙翔介紹,最初的想法其實很粗糙,就是想做一個無人機和機械臂結合的應用。趙翔告訴記者,后期經過反復思考與討論,他們想到了可以用機械臂來讓無人機在空中懸停市掛靠,這樣不需要無人機消耗電量,可以延長無人機的作業時間,于是設計出這種掛靠在直立桿子上的結構。后來他們想到,掛靠在機械臂上的無人機還可以順便充電,最后又衍生出“掛靠充電”的功能。

記者了解到,目前多數無人機用于停靠的機械結構都采用的是“機械爪”模式,就像人的兩只手一樣抓住物體。但“機械爪”在工作時需要不斷消耗電能來保持抓握的狀態。比如,國外有的研究機構就借鑒鳥類略過海面時用爪子抓魚的仿生原理,設計出了類似于鷹爪一樣的機械臂放置在無人機下部。無人機利用這種機械臂可以在飛行過程中抓取物品,動作類似于老鷹捕食。或者如日本某個研究團隊模仿鳥類的雙腳將無人機機械臂設計成兩個機械爪,不僅可以抓取、運輸和投放物品,還可以像鳥兒棲息在樹枝上一樣停靠在走廊的欄桿上。

此外,還有如“真空吸盤”等方案幫助無人機在玻璃幕墻等物體表面停靠,但都需要消耗電能、用真空泵來制造真空條件用于停靠。

“而機械臂設計的最大優勢就在于不會在掛靠時消耗電能。”孟鑫說。

充電第二步

休息的同時給無人機“加點油”

實現為無人機省電后,下面就是給它充電,從根本上解決無人機的續航問題了。

“這個無人機充電樁就是與機械臂一起配套解決續航問題的。”孟鑫解釋說,無人機充電樁以風光互補發電作為電力來源。記者從實物模型上看到,這個充電樁的頂部裝有風力發電的“風輪”,再下面一點是太陽能充電板。無人機通過機械臂使掛靠在充電樁上,掛靠的同時完成充電對接。

“無人機充電樁系統主要用于無人機執行長距離任務時為其提供充電保障,起到類似汽車加油站的作用。”孟鑫說,一個充電樁的建設成本遠遠低于電線桿等基礎設施。在這種條件下,未來無人機在快遞、石油管道巡檢和森林防火等方面都會有很好的應用。

以森林防火為例,傳統的人工巡查和瞭望塔觀察火情效率偏低,而且護林員還需要長期生活和工作在條件艱苦的地區。按照現有的多旋翼無人機巡航標準來看,航程較短,無法進入大型林區的深處執行任務。但如果使用固定翼無人機進行森林巡查,其機動性又不如多旋翼無人機。

“多旋翼無人機在發現問題時可以貼近目標,實現近距離懸停觀察,而固定翼無人機就無法做到這一點,所以多旋翼無人機觀察收集的數據質量更高。”趙翔說,“我們可以在大型林區內安裝充電樁,組成一個充電網絡,將林區網格化,這樣就可以隨時對林區的任一區域進行巡查,大大減少了人力物力,并且巡查效率更高。”

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國外發明家們怎么玩

記者了解到,目前,國內外科技界解決無人機續航時間的方案大致分為兩類。一類是從無人機的能源材料上進行研發突破,比如石墨烯電池、燃料電池等。另一類就是從外部能量補給的角度進行解決,比如無人機充電樁等。

波音公司就申請了一項名為“可為半空中的無人機充電”的專利,配備了“栓繩無人機”,可實現在空中懸停時與地面電源供應站進行連接和充電,想法類似于空中加油機與戰斗機的空中對接輸油過程。

而亞馬遜公司日前曝光的一項名為“多功能無人機中轉站系統和方法”的新專利,主要是想在現有的路燈上加一個充電平臺,為無人機續航提供幫助。從專利內容看:未來,馬路邊的通訊基站、路燈柱、建筑物頂端都有可能成為亞馬遜送貨無人機的停靠站;而在基礎設施不完善的地方,亞馬遜甚至可能專門設立電線桿來部署基于同樣原理的無人機停靠站。

對此,業內人士認為,近年來我國無人機專利申請量急劇增長,應用和技術領域得到迅速擴展。但是整體而言依然以研究為主,缺乏核心專利,在關鍵技術上與國外仍存在一定差距。在國外機構尚未開始在我國進行大規模的專利申請、布局之時,我國相關機構和研發人員應該抓住機遇進一步加強專利申請、布局和應用,同時積極尋求在國外進行專利申請、布局以擴大自己的市場。

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責任編輯: 閆月

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