无人机是多样化的民生应用及临地安防技术领域的重要成员, “无人机到底能飞多久?"这个疑问已经在行业内引起了广泛的思考. 作为无人机的心脏, 其动力系统与无人机的飞行性能有着重要的关系, 已成为航空领域最重要的发展方向之一. 根据无人机动力系统的分类, 本文分析了油动无人机、电动无人机、 光动无人机的研究现状以及需要解决的技术问题, 并特别关注了如何通过信号处理的方式达到智能飞行器长航时的目标, 为无人机的续航能力及其动力的发展提供参考.

1 前言

无人驾驶飞行器(unmanned aerial vehicles, UAVs)是一种飞行机器人, 它可以自主操作或遥控执行特殊任务. 随着人工智能技术、微处理器技术和新材料领域的发展, 以及低成本和高机动性等优势, 在多样化的民生应用以及临地安防技术领域[1], 无人机技术发展受到了极大的关注[2]. 无人机应用的例子数不胜数, 例如有效载荷交付、 交通监控, 在被认为对人类有危险的地区提供协助或救援行动[3]. 一架无人机根据其应用场所需求应包括各种类型的设备, 如先进的监视系统、红外和数码相机、 热传感器、雷达、全球定位系统等[4]. 无人机动力技术严重制约其续航能力, 并成为航空领域最重要的发展方向之一, 无人机有三种主流类型的动力系统, 即燃料[5]、纯电力以及光动系统, 此外还有其他自供能动力系统, 无人机动力系统分类见图1. 当前, “无人机到底能飞多久?" 这一疑问已经引起了相关领域所有人员的思考. 无人机续航能力已经成为制约无人机行业发展的卡脖子技术, 如何突破这一瓶颈, 是无人机行业发展和推广面临的重要问题. 本文旨在对无人机供能系统的关键技术进行全面分析. 首先对油动无人机系统的特点进行了回顾, 主要关注了纯燃油及油电混合动力系统无人机的动力装置类型、应用领域, 及其面临的瓶颈问题与解决方式; 其次对电动无人机, 包括燃料电池、锂二次电池系统, 根据其结构、原理及发展现状进行了系统分析, 根据其系统面临的瓶颈, 试图从无人机结构设计、 电池管理系统, 以及电池材料的本征结构角度出发, 评述各自电源系统的优化策略, 以及混合电源系统的发展, 并且特别关注了在现有电池技术手段的基础上, 如何有效利用智能信号处理、 电池健康信息检测等方式提高无人机的飞行时间; 最后讨论了无人机推进系统的重要分支领域——光动无人机的特点、 发展和应用前景. 光动无人机是一种由激光无限送能的智能飞行器. 通过对比目前无人机的应用场景与工作需求, 分析了光动系统可成为未来无人机重要动力系统分支的依据, 其是实现无人机长航时飞行目标的最优解决途径. 除此3种主要动力源外, 根据其动力来源方式, 总结归纳了其他小众动力系统, 例如地面充电无人机、空空换电无人机、系留无人机、 无线充电无人机、离子推动无人机等. 本文对无人机续航能力进行全面总结, 有利于了解无人机推进系统的发展现状以及未来发展方向.