Wireless power transmission for drones

Abstract

Drones are unmanned aerial vehicles that have proliferated the market due to their low cost and the many applications that can already be associated to them. Besides the common use of these devices for playful activities, as aerial event recording, they demonstrate an enormous potential in other applications, such as military, as search and rescue or reconnaissance missions, or commercial, for example: surveillance and inspection of crops. However, most commercial devices currently available suffer from a major drawback in terms of their dependence of batteries which, in consequence of the large energy demand supplied to the drone's engines, quickly discharge. In addition, the weight of these batteries typically implies that more power is needed to keep the drone flying. This drawback can be overcome, or attenuated, using dedicated wireless power transmission systems that enable the devices to maintain flight without the need of batteries or simply charging them while in use. Throughout this dissertation a microwave wireless power transmission system working at 5.8 GHz will be described in detail, with emphasis on the design of the microstrip antenna array developed to allow directive transmission and the rectenna proposed for reception and power conversion. The proposed system allows the used quadcopter to boot and link with its remote control and demonstrates the potential to be adapted for other purposes.

Drone é a designação normalmente atribuída a veículos aéreos não tripulados que se têm proliferado no mercado devido ao seu baixo custo e inúmeras aplicações. Além do seu uso em actividades lúdicas, como o já comum registo aéreo de eventos, demonstram um enorme potencial noutras aplicações, tanto militares, missões de busca e salvamento e reconhecimento de terreno, como comerciais, sendo exemplo a vigilância e inspecção de campos de colheita. No entanto, maioria dos dispositivos comerciais actualmente disponíveis padecem de uma grande limitação no que toca à sua dependência de baterias que, de modo a alimentar os motores do drone, rapidamente se descarregam. Além disso, o peso que estas baterias implicam levam a que seja necessária uma maior potência para que o drone se mantenha a voar. Estes problemas podem ser contornados, ou atenuados, recorrendo a sistemas de transmissão dedicada de energia electromagnética que possibilitem aos dispositivos manter vôo sem recurso a baterias ou carregando-as quando em uso. Ao longo desta dissertação será descrito em detalhe um sistema de transferência de energia sem fios projectado para trabalhar à frequência de 5.8 GHz, dando ênfase ao desenho de um agregado de antenas microstrip, desenvolvido para possibilitar uma transmissão directiva, e a rectenna proposta para recepção da energia electromagnética e sua conversão em corrente contínua. O sistema proposto possibilita ao quadricóptero ter energia suficiente para se conseguir ligar e estabelecer comunicação com o seu controlo remoto sendo que a arquitectura proposta demonstra potencial para ser adaptada em futuras abordagens.