Для подзарядки дрона китайские ученые оснастили его модулем фотоэлектрического преобразования, превращающим световую энергию лазерного луча в электричество. Помимо этого разработчики создали интеллектуальную систему визуального слежения за дроном в широком спектре погодных условий в любое время суток. Система управления беспилотником использует тот же передающий энергию луч лазера. То есть и энергию для батареи и команды он получает по одному каналу.
«Основными моментами исследования являются круглосуточная интеллектуальная система визуального отслеживания и автономное пополнение энергии для ODD (оптически управляемого дрона) на большом расстоянии», — сообщила команда на официальном аккаунте NPU в WeChat.
Исследовательская группа заявила, что провела три полевых испытания: контрольный полет в помещении, дневной полет на открытом воздухе и ночной полет на открытом воздухе. Беспилотник и устройство его контроля и передачи энергии успешно работали во всех сценариях. Алгоритм обладал хорошей устойчивостью к освещению, дистанциям и вращению, был стабилен в различных условиях и обеспечивал точное позиционирование дрона. Анимированная схематическая иллюстрация, представленная в отчете, показывает, что ODD может летать на высоте небоскреба. Команда не раскрыла подробностей о дальности действия системы и эффективности фотоэлектрического преобразования, поскольку технология потенциально может использоваться в военных целях.
Сложным моментом стала оптимизация передачи энергии лазерным лучом. Чтобы увеличить расстояние беспроводной передачи энергии, ученым нужно было уменьшить затухание традиционного лазерного луча в атмосфере, которое происходит из-за турбулентности воздуха, осадков, дыма, и других «примесей». Решением стала технология адаптивного формирования луча, которая смогла автономно регулировать его интенсивность. В систему также был добавлен алгоритм защиты, который автоматически регулирует мощность лазера до безопасного диапазона при обнаружении препятствия на пути луча.
Дроны на лазерном питании могут применяться для логистики, контроля над движением транспорта, в сельском хозяйстве, для патрулирования, участвовать в спасательных и военных операциях. В перспективе с помощью технологии можно будет создавать воздушные транспортные маршруты и стратосферные спутники. Но для этого сперва придется решить проблему эффективности передачи энергии в движущийся объект на расстояние хотя бы в несколько километров. При существующих технологиях потери энергии пока колоссальные — около 88-90%, если судить по открытым данным. При том, что средние потери при проводной передаче на значительные расстояния сегодня — около 5%.
Стоит отметить, что в России похожую технологию представили еще несколько лет назад. Специалисты компании «Оптоэнерготрейд» (сейчас резидент «Сколково») в 2018 году испытали технологию беспроводной зарядки беспилотных летательных аппаратов с помощью лазерного луча — он подзаряжал батарею дрона через закрепленную на нем солнечную панель с расстояния 1,5 километра. Приемник представляет собой аналог обычной солнечной батареи, настроенный на поглощение лазерного света.
Чтобы лазер не сбивался во время полета аппарата, наземную установку снабдили системой наведения, захвата и удержания цели. Как и в китайской разработке, в решение внедрена система безопасности — она мгновенно отключает луч, если на его пути возникает посторонний объект. Единственное существенное отличие российской разработки пятилетней давности от сегодняшних экспериментов в КНР — управление дроном шло не по лазерному лучу, а по радиоканалу.
С 2003 года в мире проведено уже несколько экспериментов по беспроводной передаче энергии лазерным излучением. Этой технологией занимаются NASA, EADS, Lasermotive и множество частных компаний. Но говорить об эффективной передаче энергии лазером на большие расстояния пока рано. В 2014–2017 годах серия лабораторных экспериментов в России продемонстрировала беспроводную передачу энергии на расстояния до 1500 метров при использовании источников энергии мощностью до 120 Вт. Эффективность составила 12%. Были проведены эксперименты по зарядке мобильного телефона на расстоянии 1,5 километров, а также по удаленной зарядке беспилотного летательного аппарата на расстоянии 1 километр.
Пока самым эффективным остается лабораторный эксперимент 1975 года, проведенный в США двумя учеными — Уильямом Брауном, который работал на Raytheon, и Ричардом Дикинсоном из Лаборатории реактивного движения НАСА. Они построили настолько эффективно работавшие устройства по передаче и приему микроволнового излучения, что КПД системы превысил 50%. В ходе отдельного эксперимента им удалось передать более 30 кВт энергии на расстояние около 1,6 км.
