成 果 简 介

应用场景

黑龙江省森工林区经营总面积1009.8万公顷，占全省国土面积的22%；有林地面积846万公顷，占全国国有林面积的11.7%；活立木总蓄积7.7亿立方米，占全国国有林区的31%；森林覆盖83.9%。分布在小兴安岭、张广才岭、老爷岭、完达山等山系的广袤森林，是东北亚陆地自然生态系统的主体之一,是东北大粮仓的天然生态屏障，是六大水系（黑龙江、乌苏里江、松花江、嫩江、牡丹江、绥芬河）主要发源地和涵养地，生态地位十分重要。

森林作为地球上可再生资源及陆地生态系统的主体，对森林资源进行高效、准确巡检是保证林业生态安全和经济效益以及实现林业管理现代化的关键。显然，探究一种新型林区巡检方法已经成为智能化林业管理中一项关键课题。

主要解决的问题

相较于传统林区巡检方法，旋翼无人机实现全方位、多维度、无人值守的自主化作业。因此，以林区巡检无人机长期机动续航为出发点，着眼于林区新能源的高效开发和综合利用，将稳定且高效的旋翼无人机自主电能补充作为突破点，深入地挖掘面向林区巡检无人机的高能效无线充电系统涉及的若干关键技术，推动无人值守化林区巡检的应用进程，助力智慧林业的不断发展。

技术要点

项目从“能量来源--能量补充--能量存续”三个维度展开研究工作，旨在构建一套面向林区巡检无人机的高能效无线充电系统。光储一体化多能源系统与无线充电系统协同交互，为无线充电系统提供便捷、稳定、清洁的能量来源；具备轻量紧凑化高性能接收端的无线充电系统为旋翼无人机能量补充提供平台支撑；高效率恒流/恒压充电是能量存续时无线充电系统稳定、可靠运行的关键技术。

①多能源系统建模分析及与无线充电系统协同交互

光储一体化多能源系统为复杂林区环境下无线充电系统离网运行提供长期稳定的能量来源，是实现林区巡检无人机自主电能补充的关键。以协同优化、交互响应、高效利用为目标，展开如下研究工作：

1)构建多能源系统交互模型，分析光伏发电与电池储能的功率特性，研究多能量流计算及其优化求解方法；

2)结合多能源系统的电气外特性，研究多能源系统与无线充电系统的接口形式，构建高效的能量交互模型；

3)分析多能源系统与无线充电系统之间能量流动模式及其解耦机制，研究能量均衡调度以及高效管理策略；

②轻量紧凑化高性能接收端的构型设计与优化方法

受限于旋翼无人机的有效载荷和改造成本，其上搭载的无线充电接收端应具备轻量紧凑化构型、强抗偏移适应性等特点，保证无线充电接收端与旋翼无人机的高效适配。从补偿拓扑和磁耦合机构角度出发，展开如下研究工作：

1)分析不同类型补偿拓扑的构型特点与功率特性，研究其与无线充电系统工作性能的内在关联，探究无源元件最少化的补偿拓扑设计方法；

2)设计与旋翼无人机结构匹配的磁耦合机构，采用有限元仿真分析其耦合性能、偏移性能、空间磁场，研究基于田口算法的参数优化策略；

3)采用电路模型分析谐振线圈和谐振电容的电气特性，研究基于功率容量优化的低成本高性能无源元件轻量紧凑化设计及其参数匹配方法。

③基于高性能充电与降损提效的能量协同调度策略

旋翼无人机充电时，锂电池等效负载电阻动态变化导致无线充电系统的输出不稳定、电能品质下降、系统效率降低等问题。为保证无线充电系统高效、稳定、可靠的能量调度，从电路拓扑和鲁棒控制角度出发，展开如下研究工作：

1)构建能效提升用功率电路及其稳态模型，研究等效负载电阻对无线充电系统性能参数的影响机理，分析性能参数间耦合关系；

2)分析原边电气参量与负载充电参数之间函数关系，研究基于原边升压逆变器与副边有源整流器的充电控制以及效率提升策略；

3)分析系统功率元件的损耗产生机理，构建损耗与效率之间数学模型，研究基于原边动态调频与全波可控电容的降损提效方法。

应用成效

森林资源基础数据、办公、巡护监测、网络互通等基础设施缺乏，管护工作还停留在以人工巡护为主的阶段，森林火灾发生后，不能得到及时扑救，从而破坏森林植被，影响生态系统的稳定性。森林资源信息系统的基础数据整合统一、网络互联互通、信息综合管理、智能巡护监测，实现森林资源现状和变化信息实时查询调阅和高效利用，提高森林资源管理的信息化水平。

采用旋翼无人机实现自动化林区巡检的技术成效在于：(1)极大地降低人工巡检的劳动强度与时间成本，并且提升恶劣林区环境下工作人员的安全性；(2)旋翼无人机实时准确地获取多尺度、多时相、高分辨率的信息，提升林区作业的智能化水平，满足智慧林业建设的客观需求；(3)利用旋翼无人机搭载的多类型信息采集设备，结合无人机遥感技术并辅助以北斗卫星导航系统的定位技术，实现高效、精准、可靠的广域林区巡检。

适用范围

结合案例提出的林区巡检无人机长期机动续航、林区新能源的高效开发和综合利用等关键技术，本案例适用于全天候全地形无人值守化的林区巡检场合，并且尤其适宜处于高寒地区的东北林区。

联 系 人：孟庆焕

联系电话：0451-82190721