《Advanced Intelligent Systems》：Autonomous Charging and Battery Swapping for Unmanned Aerial Vehicles: A Review
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以支撑完全自主空中作业为目标，本文综述对主要无人机（UAV）充电与电池更换方法的工作原理、效率及代表性系统进行了综合分析。上述范式在系统评估时特别强调其自主执行潜力。分析批判性考察了各类方法的技术优势与工程权衡——包括对准容差、有效载荷约束和环境适应性——如何
以支撑完全自主空中作业为目标，本文综述对主要无人机（UAV）充电与电池更换方法的工作原理、效率及代表性系统进行了综合分析。上述范式在系统评估时特别强调其自主执行潜力。分析批判性考察了各类方法的技术优势与工程权衡——包括对准容差、有效载荷约束和环境适应性——如何影响其面向真实部署的适用性。此外，简要概述了精准着陆和电池管理系统（BMS）等关键支撑技术。最终，该综合评价为选择和优化面向自主UAV任务的自动能量补给方案提供了实用参考。
1 引言
无人机（UAV）是可在遥控或自主控制下稳定飞行的空中平台，民用应用已扩展至农业、测绘、应急、航拍和物流等。旋翼UAV因垂直起降（VTOL）、精确悬停和高机动性而广泛使用，但能耗较高，锂聚合物（LiPo）电池通常将续航限制在20–40 min，无人值守、危险环境和多机协同场景需要自主能量补给。自主充电受着陆对准精度、机载硬件与载荷约束以及长期可靠性（如接触氧化、积尘和磨损）制约。现有方法可归为接触充电、无线能量传输（WPT）、电力线充电和自动电池更换，其差异主要体现在对准容差、系统重量和环境适应性。
2 文献检索与筛选
研究在Web of Science、Scopus、PubMed、Engineering Village和IEEE Xplore中组合UAV与充电、换电相关关键词检索，限定同行评审英文文献。按PRISMA流程去重、题摘筛选并依据纳入排除标准剔除仅涉及路径规划或调度、非旋翼平台及重复装置的研究，最终纳入约一百项直接相关研究。利用VOSviewer分析题名、关键词和摘要，研究热点显示当前工作主要集中于WPT。
3 充电与电池更换方法
按能量传输方式分为接触充电、WPT（近场CPT和IPT，含RIC；远场MPT和LPT）、自动电池更换和电力线充电，并重点评估其自主运行潜力。
3.1 接触式充电
接触充电通过UAV电极与平台触点物理接触传能，着陆位置和姿态误差会影响成功率并带来短路等风险，研究主要分为提升着陆精度和优化平台结构。3.1.1 提升着陆精度：高精度动捕可实现厘米级对接但依赖外部设施；机载视觉和多传感器融合（GPS、红外、视觉标记）可改善户外自主降落，平均误差约4.4 cm，但仍受光照、噪声和干扰影响。3.1.2 优化充电平台结构：通过增大触点面积、磁吸对准、倒锥或漏斗导引、极性自适应和多触点容错降低着陆精度要求；同心圆和蜂窝等概念设计仍多处于原型或概念阶段，结构复杂度和成本限制长期无人值守。3.1.3 自主充电潜力讨论：接触充电无气隙和机上转换环节，效率最高、机载质量最小，核心是对准；平台容错设计可使常规自主着陆达到连接精度，已有平台在832种着陆姿态下可靠充电、效率高于98%，并完成30/30次户外飞行。其精度路径依赖受控光照，耐久性受接触磨损限制，通用连接器加速试验约3000次插合后出现退化，需更换或耐磨设计；标准化相对容易，并已在固定站、变电站巡检和输电线路机库等场景演示。
3.2 无线能量传输（WPT）
WPT通过电磁场非接触传能，近场包括CPT和IPT，远场包括MPT和LPT。3.2.1 感应式能量传输（IPT）：基于法拉第定律，线圈错位会降低耦合和效率，常引入谐振电感耦合（RIC）；研究涵盖线圈结构、磁路参数、中远距离和自动对准。3.2.1.1 线圈结构与形状优化：矩形接收线圈、多线圈串联或阵列、交叉磁耦合器、可折叠平面线圈、螺线管或倒拱及锥形线圈等被用于均匀磁场和被动自对准；可折叠系统在125 W下峰值效率97.66%，10 cm错位时85.48%，非常规结构仍不成熟。3.2.1.2 磁路与电磁参数优化：铁氧体或复合磁结构、双正交L形磁芯、解析和数值优化以及数据驱动多目标优化用于集中磁通、降低漏磁并兼顾效率、热和重量。3.2.1.3 自动对准与中远距离能量传输：电机驱动两轴平台可通过电流最大化跟踪接收线圈，700 W下效率高于86%；同心圆发射线圈和Litz线接收可约0.5 m传输64.88 W。3.2.2 电容式能量传输（CPT）：利用电场耦合，无需磁性材料，潜在更轻、对金属环境不敏感且电磁发射较低。3.2.2.1 电容耦合器结构优化：四板结构、同侧板间距调整、非平面板和可重构耦合器可抑制寄生与交叉耦合，后者在100 mm平移和0–360°角度变化下效率变化小于1%；单电容耦合（SCC）简化结构但成熟度较低。3.2.2.2 谐振参数与电感优化：LC谐振、柔性印刷电路板（PCB）电感、E/F类逆变器和接收电感优化可在一定横向错位下保持效率。3.2.2.3 多无人机协同与感容混合无线充电：多UAV充电站、单输入多输出（SIMO）CPT和感容混合系统通过耦合器与补偿网络协同，提高并行充电能力和错位容忍度，但系统复杂度与控制要求上升。3.2.3 远场能量传输：自由空间电磁波可实现数十至数百米传输和飞行中充电，但受波束发散、指向误差、接收面积和安全限制，多处于实验室阶段。3.2.3.1 激光能量传输（LPT）：激光经准直后由光伏电池转换为直流；红外激光跟踪曾实现12 h 27 min连续飞行但活动范围限于5 m×5 m；808 nm砷化镓（GaAs）系统转换效率17.55%、功率仅70 mW；808 nm垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列与柔性GaAs模块实现60 min飞行但系统效率约4%；976 nm VCSEL匹配硅多结电池仅将飞行从10 min 30 s延长至11 min 15 s；二极管泵浦碱金属蒸气激光器（DPAL）被认为具有长距离潜力。3.2.3.2 微波能量传输（MPT）：28 GHz相控阵接收功率约1.7 mW、效率0.044%；紧凑接收模块在1 m、500 W发射下最大充电电流190 mA，远低于典型旋翼UAV约4 A需求；柔性织物整流天线面密度0.08 g/cm
2，1.5 m处输出17.6 mW、效率约0.6%。3.2.4 自主充电潜力讨论：WPT无插接和接触面，关键是对准；IPT峰值效率可接近接触充电，但错位会降低效率，CPT以部分效率换取接收器减重；近场WPT已接近实用，受接收器质量、收发配对缺乏跨平台标准及长期可靠性数据不足约束；远场仍处实验室阶段。
3.3 自动电池更换
自动换电通过机械系统在数十秒至一分钟内更换电池，易与BMS集成，但依赖着陆精度、机构可靠性和环境适应性。3.3.1 地面换电站：机械臂方案灵活但复杂、较重且需维护；旋转式可容纳多电池并支持高频任务，但仍需一定着陆精度；导轨式采用标准电池盒，机构简单、成本低且对着陆精度要求较低。地面站在功率、效率和成熟度上优于空中方案，移动平台可提升环境适应性。3.3.2 空中电池更换：包括系留气球平台、重力辅助转移、视觉定位与滑轨对接以及AirDock水平连接和并行供电，全驱动6自由度UAV可补偿换电过程中的质心变化；系统复杂度和控制难度高，仍处探索验证阶段，部分演示对接阶段需人工控制。3.3.3 自主潜力讨论：换电周转最快，适合车队和枢纽物流、连续巡检，并可由BMS集中管理；地面站已有端到端演示，机器视觉和夹持夹具在200次交换中完成195次无操作员干预；限制在于机构磨损、暴露天气以及站体通常只匹配单一UAV电池格式；空中换电可免返航但仍待成熟。
3.4 电力线充电
电力线充电使UAV停靠高压或低压线路取能，适合巡线任务。机械抓紧方案不依赖线路电流但机构复杂、较重且抗扰有限；分裂磁芯夹爪、双钩、钩挂加测量臂接触第二根线等被提出。电磁力保持方案将抓握和取能集成，分裂磁芯有限元模型与实验吻合，被动触发夹爪和磁控电路可根据线路电流与电池状态切换模式，户外连续五次巡检—充电循环超过2 h，但充电启停仍由人工指令。非接触取能仅见仿真和概念验证，功率极低。3.4.1 自主潜力讨论：该方法利用任务走廊现有基础设施，磁驱动夹爪便于小型化，最先进演示完成五次飞行、降落、充电和起飞且定位、停靠与起飞自主；但充电功率低且随线路电流变化，300 A线路约50 W，7.5 min飞行对应超过1 h充电，100 A线路仅15 W；机械夹爪增重、电缆停靠容错低、风鲁棒性未测、高压电磁干扰需抑制，且仅适用于有线路走廊的场景；充电启停自动控制尚未验证，长期可靠性数据缺乏，非接触分支仍处实验室阶段。
4 讨论与结论
4.1 充电方法评述：从自主运行看，接触充电、近场WPT和自动换电已达到可比自主水平，最接近实用者均为固定站；区别在维护需求和跨UAV适配性。接触电极每次插合磨损并需手工维护；换电站机械复杂、暴露天气且磨损；近场WPT去除磨损面，但电子件和接收器仍有寿命且缺乏UAV数据；标准化方面接触接口最简单，WPT需收发配对，换电需站体匹配电池形状和位置。电力线充电和远场WPT脱离固定站，前者受传输效率限制，后者可取消着陆但仍处实验室阶段。主要限制可分为耐久性与效率两类，换电还缺多电池格式适配，电力线充电控制未验证，远场存在激光安全问题。4.2 相关支撑技术：自主着陆和电池管理是自主充电前提。4.2.1 自主着陆：核心是无人工实现UAV与充电或换电装置稳定空间对准，感知、估计与控制紧密耦合。4.2.1.1 识别与定位：远距离常用GPS或无线信号粗导，多传感器融合（IMU、气压计）提高连续性；近距离视觉和深度学习可增强光照变化、遮挡和杂波下的鲁棒性。4.2.1.2 着陆控制：模型基控制稳定可解释但依赖模型和状态估计；数据驱动和强化学习适应复杂动态但训练成本高，稳定性和安全性的理论保证不足。4.2.1.3 总结与开放挑战：远近程定位与控制均有进展，但感知—控制误差耦合、系统级鲁棒性和跨场景泛化仍是挑战，需协同优化感知可靠性与控制策略。4.2.2 电池管理：BMS负责充电安全、稳定和寿命，感知荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）和温度；等效电路或电热耦合模型结合滤波实现在线估计；预测热管理和自适应充电策略可动态调流、切换阶段或降功率，并纳入环境温度、充电历史和健康状态进行多因素优化；电动车锂离子电池方法可启示LiPo热管理。
5 结论与未来展望
四类方法的差异不在充电环节本身，而在无人值守运行仍缺什么。接触充电、近场WPT和自动换电已达到可用自主水平，效率并非剩余主要障碍；缺失的是可跨UAV类型共享的接口和长期免维护运行证据。未来重点不在能量传输，而在数千次循环下磨损部件的耐久性：接触充电和近场WPT更偏材料与设计问题，自动换电更偏机器人问题。随着机器人技术在重复运动、风环境和户外生存方面进步，换电站维护负担有望下降；换电还缩短周转时间、支持多机快速服务，空中换电可免返航，因此自动换电是最可能率先取得下一步突破的方向。
