彭柴揚(yáng)

摘 要：旋翼無(wú)人機(jī)因續(xù)航里程短，導(dǎo)致其在各領(lǐng)域的應(yīng)用受限。為提高無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力，該文設(shè)計(jì)了一種由太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、無(wú)線自適應(yīng)充電系統(tǒng)組成的自主充電樁。充電樁將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，并能引導(dǎo)無(wú)人機(jī)自主降落后完成充電，擴(kuò)展了無(wú)人機(jī)的飛行范圍及飛行時(shí)間。

關(guān)鍵詞：自主充電樁 ?旋翼無(wú)人機(jī) ?太陽(yáng)能 ?無(wú)線自適應(yīng)充電系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（c）-0048-02

旋翼無(wú)人機(jī)近年來(lái)在測(cè)繪、巡線、攝影、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)也迅猛發(fā)展。但現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)由于續(xù)航能力弱、巡航半徑小，使得其并沒(méi)有快速向軍事領(lǐng)域及大規(guī)模民用方向發(fā)展。

為提高旋翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力，目前提出的解決方案大多是增加電池容量，或者采用輕質(zhì)材料制作飛行器機(jī)身以減小負(fù)載，或是提高電機(jī)效率等。專利號(hào)為CN202929383U的“無(wú)人機(jī)及其自動(dòng)充電系統(tǒng)”公開(kāi)了一種無(wú)人機(jī)自動(dòng)充電系統(tǒng)[1]，包括：供電模塊;無(wú)人機(jī)充電模塊;時(shí)間控制模塊，用于控制所述無(wú)人機(jī)定時(shí)起飛和回航，該專利可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)定時(shí)起飛巡航，定時(shí)返航充電，但其無(wú)人機(jī)飛行范圍受到時(shí)間的限制，巡航半徑的增加有限;麻省理工學(xué)院的學(xué)生發(fā)明了一種自主充電無(wú)人原型機(jī)系統(tǒng)[2]，這種機(jī)型可降落在輸電線路上實(shí)現(xiàn)自我充電。專利號(hào)為CN103872795A提出了類似的“用于無(wú)人飛機(jī)的充電系統(tǒng)”[3]，這是一種基于交流輸電架空線的自動(dòng)無(wú)人機(jī)充電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)全自主、安全的充電方式，提升了無(wú)人飛機(jī)續(xù)航里程;但其實(shí)現(xiàn)技術(shù)較為復(fù)雜，對(duì)輸電線路存在一定的安全隱患。

為此，該文提出了一種基于太陽(yáng)能的無(wú)人機(jī)自主充電技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種旋翼無(wú)人機(jī)自主充電樁。自主充電樁以太陽(yáng)能為自身的儲(chǔ)備能源，對(duì)身份驗(yàn)證通過(guò)的無(wú)人機(jī)進(jìn)行自動(dòng)充電，充滿后自動(dòng)斷電，無(wú)人機(jī)可從充電樁起飛繼續(xù)飛行。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

旋翼無(wú)人機(jī)自主充電樁利用太陽(yáng)能技術(shù)、無(wú)線充電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)自動(dòng)續(xù)航能力的提升，擴(kuò)大了無(wú)人機(jī)應(yīng)用范圍。自主充電樁主要由太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、無(wú)線自適應(yīng)充電系統(tǒng)及支架系統(tǒng)所組成。其中太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能發(fā)電板、蓄電池組成。無(wú)線自適應(yīng)充電系統(tǒng)由降落引導(dǎo)模塊、通訊識(shí)別裝置及無(wú)線充電板組成。自主充電樁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

無(wú)線充電板1通過(guò)一號(hào)支架固定于支撐桿頂端;太陽(yáng)能發(fā)電板3通過(guò)二號(hào)支架固定于支撐桿上，太陽(yáng)能發(fā)電板的頂端低于無(wú)線充電板所在的平面;蓄電池2也固定在支撐桿上，存儲(chǔ)太陽(yáng)能發(fā)電板的電能，并通過(guò)通訊識(shí)別裝置4連接到無(wú)線充電板。

通訊識(shí)別裝置的作用是對(duì)無(wú)人機(jī)身份進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，當(dāng)識(shí)別成功，即允許無(wú)人機(jī)在此充電樁充電后，啟動(dòng)降落引導(dǎo)系統(tǒng)，引導(dǎo)無(wú)人機(jī)自動(dòng)降落在無(wú)線充電板上。降落引導(dǎo)系統(tǒng)主要安裝在無(wú)人機(jī)上，包括必要的硬件裝置和軟件系統(tǒng)，而充電樁部分的降落引導(dǎo)系統(tǒng)只是起輔助降落作用，其模塊內(nèi)嵌在無(wú)線充電板中。

1.1 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)屬于離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，主要包括太陽(yáng)能電池板，DC-DC轉(zhuǎn)換器，儲(chǔ)能裝置和負(fù)載組成[4]。太陽(yáng)能電池板負(fù)責(zé)將光能轉(zhuǎn)換成電能，是能量轉(zhuǎn)換器件;DC-DC轉(zhuǎn)換器是將直流電轉(zhuǎn)換成直流電，是轉(zhuǎn)變輸入電壓為有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)后，可以保證DC-DC轉(zhuǎn)換器的最大功率跟蹤;儲(chǔ)能裝置是貯存太陽(yáng)能電池方陣受光照后產(chǎn)生的電能并可隨時(shí)向負(fù)載供電;負(fù)載則是對(duì)蓄電池中的能量進(jìn)行消耗的設(shè)備。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能會(huì)存儲(chǔ)在蓄電池中，通過(guò)蓄電池與無(wú)線充電板連接適配，建立一塊充電區(qū)域，當(dāng)負(fù)載需要充電時(shí)，把負(fù)載放在指定的無(wú)線充電區(qū)域中，就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電。由于此供電系統(tǒng)主要采用太陽(yáng)能為能源，擺脫了對(duì)電網(wǎng)的依賴，這對(duì)解決無(wú)人機(jī)的續(xù)航問(wèn)題提供了廣闊的前景。

因?yàn)闊o(wú)人機(jī)是近年來(lái)新興產(chǎn)品，電池電壓等規(guī)格還沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定，目前市面上主流的電壓級(jí)別有11.1 V（某些航拍器、無(wú)人機(jī)等）、22.2 V（大疆多軸飛行器等），電池容量多為5000～16000 mAh之間。選用蓄電池時(shí)必須要考慮無(wú)人機(jī)電池容量的問(wèn)題，所以可以選用的太陽(yáng)能專用蓄電池型號(hào)有65AH、80AH、100AH、150AH、200AH等[5]?？紤]到可能出現(xiàn)天氣等原因?qū)μ?yáng)能電池板發(fā)電的影響，所以建議選用12 V 100AH的蓄電池保證無(wú)人機(jī)的續(xù)航。經(jīng)計(jì)算分析，該型號(hào)的蓄電池可以對(duì)目前較大電池容量（22.2 V、16000 mAh）的飛行器進(jìn)行3～4次完全充電，而對(duì)一般22.2 V、7000 mAh的無(wú)人機(jī)則可以進(jìn)行7～8次完全充電，基本可以滿足要求[6]。同時(shí)，通過(guò)選用100 W的太陽(yáng)能電池板對(duì)蓄電池進(jìn)行能量補(bǔ)充，正常天氣情況下，太陽(yáng)能板2天半即可對(duì)蓄電池進(jìn)行完全充滿電。通過(guò)太陽(yáng)能板、蓄電池、飛行器電池之間的合理搭配，可以進(jìn)行能量的最優(yōu)配置與利用。

1.2 無(wú)線自適應(yīng)充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無(wú)線自適應(yīng)充電系統(tǒng)由降落引導(dǎo)模塊、通訊識(shí)別裝置及無(wú)線充電板3個(gè)部分組成。當(dāng)無(wú)人機(jī)通過(guò)GPS定位在自主充電樁附近，需要降落在無(wú)線充電板上充電時(shí)，其充電步驟如下所述。

（1）無(wú)人機(jī)向無(wú)線自適應(yīng)充電系統(tǒng)發(fā)出請(qǐng)求充電申請(qǐng);

（2）通訊識(shí)別裝置收到充電請(qǐng)求后，立刻啟動(dòng)身份驗(yàn)證程序。識(shí)別裝置發(fā)送一個(gè)隨機(jī)數(shù)給無(wú)人機(jī)，同時(shí)通過(guò)鑒權(quán)程序計(jì)算出這一隨機(jī)數(shù)所產(chǎn)生的結(jié)果值A(chǔ)1;

（3）無(wú)人機(jī)收到這一隨機(jī)數(shù)后，也通過(guò)自身的鑒權(quán)程序得到一結(jié)果值A(chǔ)2，并把A2發(fā)送給通訊識(shí)別模塊;

（4）通訊識(shí)別模塊比較A1與A2，如二者不相等，不啟動(dòng)充電過(guò)程。如二者相等，首先啟動(dòng)輔助降落引導(dǎo)程序，使得無(wú)人機(jī)降落在無(wú)線充電板上，然后啟動(dòng)無(wú)線充電程序給無(wú)人機(jī)充電;

（5）充電完畢，無(wú)人機(jī)飛離充電板，系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)收到新的無(wú)人機(jī)充電申請(qǐng)，再次執(zhí)行上述步驟。

整個(gè)充電過(guò)程的流程如圖3所示。

因?yàn)闊o(wú)線充電板的表面通常是光滑的，在有風(fēng)等天氣下，無(wú)法對(duì)正在充電的旋翼無(wú)人機(jī)起到固定作用，容易使無(wú)人機(jī)產(chǎn)生水平及豎直移動(dòng)，甚至從充電板上滑落，造成電能的損耗。

因此，在充電板上設(shè)計(jì)有凸起，4個(gè)凸起為一組，構(gòu)成1個(gè)正方形，凸起布滿充電板，構(gòu)成多個(gè)正方形。凸起采用三棱錐形狀。另外，在充電板四周安裝電動(dòng)推桿，當(dāng)旋翼無(wú)人機(jī)降落后，電動(dòng)推桿伸出，用于固定無(wú)人機(jī)緩沖架。當(dāng)充電完畢，電動(dòng)推桿自動(dòng)縮回，無(wú)人機(jī)可以正常起飛。與之相配套，旋翼無(wú)人機(jī)的緩沖架底部也應(yīng)有小的凸起，能直接插入充電板三棱錐凸起之間的縫隙內(nèi)。無(wú)線充電板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能旋翼自主充電樁以太陽(yáng)能為能源，不受電網(wǎng)的限制，可以安裝在任何需要的地方。完全自動(dòng)充電的設(shè)計(jì)方式，可以做到無(wú)人值守，充電過(guò)程完全自主完成。自主充電樁擴(kuò)大了旋翼無(wú)人機(jī)的工作范圍，拓寬了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，為無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用提供了良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張顯志.無(wú)人機(jī)及其自動(dòng)充電系統(tǒng)[P].中國(guó)專利：CN202929383U，2013-05-08.

[2] 電纜網(wǎng).美國(guó)麻省理工研發(fā)無(wú)人機(jī)自主充電系統(tǒng)[EB/OL].http：//news.cableabc.com/world/20140529019234.html，2014-05-29.

[3] 王洋，李大鵬，蔣棟，等.用于無(wú)人飛機(jī)的充電系統(tǒng)[P].中國(guó)專利：CN103872795A，2014-06-18.

[4] 鮑仁強(qiáng).一種新型太陽(yáng)能充電站設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù)， 2012，29（6）：55-57.

[5] 朱吉然，冷華，唐海國(guó).配電自動(dòng)化終端后備電源選型探討[J].供用電，2014（5）：64-69.

[6] 李勇.無(wú)人飛行器在特高壓交流輸電線路巡視中的應(yīng)用模式研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2014.