【特邀报告】聚焦:光动无人机

   2023-12-29 550
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#特邀报告

一、 导读

近年来,无人机等飞行器已“飞入寻常百姓家”。无人机具有低成本、易操作、轻便灵活的特点,能够完成智能巡检、灾害预警、智能搜救等各种任务,为生产、生活和安全保障带来便利。

然而,无人机等低空飞行器虽然具备很多优良特性和成功的应用案例,但也有自身缺陷。目前,大多数无人机都使用锂电池供能,续航时间较短,难以支撑其执行更加复杂耗时的任务。为解决此问题,西北工业大学李学龙教授团队开展了“光动无人机”(Optics-driven Drone,ODD)研究。这项研究使用高能激光对无人机进行远程供能,利用机载光电转换模块将光能转换为电能,通过无线充电方式实现无电池起飞。同时,结合智能信号传输与处理技术,实现了远程供能的自主化,使无人机具备无限续航的能力。该项技术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。

二、关键技术

针对旋翼无人机续航时间较短的问题,研究团队发展了一种远距离无人机供能方式,具备智能化、自适应和安全性三大技术特点。

1)智能化。在各种复杂任务中,无人机的飞行距离、飞行姿态、所处光照环境都会发生剧烈变化,如何在这些困难的条件下实现稳定精准的目标跟瞄和预测是整个链路建立的必要前提。为解决此问题,提出了面向复杂变化目标的智能视觉跟瞄方法,该方法具备良好的光照、尺度、旋转鲁棒性,能够实现全天时、高精度的智能微小目标跟瞄。

2)自适应。在地面至无人机之间的长距离激光供能链路中,大气湍流效应会造成能量接收端的光束强度分布不断变化,这种现象降低了能量传输效率,甚至会对光电转换模块造成永久损坏。针对此问题,设计了光斑反馈的强化学习方法,提出了一种感算协同的自适应光束赋形技术,能够在远场实现动态、可控的光束强度分布调整,提高长距离激光能量传输链路的有效性和可靠性。

3)安全性。高能激光器可能对供能链路中的遮挡物造成损伤。为了确保供能链路的安全,提出了激光功率自主调整方法,根据目标反射特征的精准比对和激光传输距离的时序变化曲线识别遮挡物,进而及时地将激光功率调整至安全范围。

三、创新点

在实现光能供电技术的过程中,面对两大挑战研究团队提出了创新性解决方案。

1)在高空中利用激光束实现精准的能量传输。

为解决现有旋翼无人机、固定翼无人机等低空飞行器续航时间短的问题,设计了高能激光现对无人机的无线充电技术,使无人机具备了超长续航的能力。具体地,通过高功率激光技术和机载光电转换模块,将激光能量转化为电能为无人机提供能源。为保证在复杂任务中实现稳定精准的目标跟瞄和预测,提出了面向复杂变化目标的智能视觉跟瞄方法。利用高精度传感器和实时监测系统,对无人机进行精确定位,确保激光束的稳定性和精准跟瞄。该方法具备良好的光照、尺度、旋转鲁棒性,能够全天时、高精度地实现微小目标跟瞄。

图1  光动无人机设计图

2)降低激光传输中的能量损失,提高能量传输效率。

针对长距离激光供能链路中,大气湍流效应造成能量接收端的光束强度分布不断变化,从而影响能源传输效率的问题,设计了一种感算协同的自适应光束赋形技术,能够在远场实现动态、可控的光束强度分布调整,提高长距离激光能量传输链路的有效性和可靠性。其次,为确保供能链路的安全,提出激光功率自主调整方法,根据目标反射特征的精准比对和激光传输距离的时序变化曲线识别遮挡物,并及时地将激光功率调整至安全范围,防止高能激光器对供能链路中的遮挡物造成损伤。

图2 光动无人机室内、室外和夜间实验展示

四、观点评述

“光动无人机”摆脱了续航限制,具有广泛的应用价值。高能激光可以实现数十公里的能量传输,这项技术的出现使得无人机开展超大范围巡航任务成为了可能,甚至可以实现“低空卫星”、“人造月亮”等作用。同时,地对空、一对多的无线自主供能可支持无人机集群更为便利地工作。由于无需对每架无人机单独换电,光动无人机系统的优势和效率将进一步放大。那么,未来光动无人机还有哪些领域可以发挥作用呢?

1) 物联网领域:随着现代社会信息化水平的普及和加深,各种终端设备都需要通过网络进行远程通信,而光动无人机的高速、超远程传输带宽,能够为物联网搭建更为广泛、更为稳定的基础设施。

2) 6G通信领域:光动无人机在实现超远程高速传输的同时,还可以扩展通信通道,降低信号受阻的概率,因此有望成为6G通信的重要辅助工具。

3) 快递运输领域:光动无人机采用高能激光传输能量,解决了续航问题,可以更长时间地飞行和携带货运,且可节约成本,因此有望在快递物流、农业机械化等领域发挥更为重要的作用。

总之,光动无人机提供了一种无限供能的可行方案,能够摆脱传统供电方式的续航限制,具有广泛的应用前景。

五、研究团队

西北工业大学李学龙教授团队主要开展临地安防(Vicinagearth Security)技术体系的人才培养、科研与工程,依托两个理论:“信容(Information Capacity,信息与数据的比值)”与“正激励噪声(Positive-incentive Noise,Pi/π-Noise,有用的噪声,通过增加噪声或利用噪声让任务做得更好)”,面向低空安防、水下安防、跨域安防,进行多模态认知计算、跨域遥感、稳定探测、涉水光学、群体智能决策、相干光探测的技术创新,服务于高水平人才培养和国家重大战略需求。

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文章转载自微信公众号:津航光电

 
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