吳嘉鑫，婁 陽，吳佳穎，章世靖，蘆立娟，魯曉東，張繼軍

(浙江海洋大學(xué) 東?？茖W(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316022)

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無人機(jī)電池補(bǔ)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳嘉鑫，婁 陽，吳佳穎，章世靖，蘆立娟*，魯曉東，張繼軍

(浙江海洋大學(xué) 東?？茖W(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316022)

設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)電池補(bǔ)給系統(tǒng)，用以增加運(yùn)輸型無人機(jī)續(xù)航時(shí)間。

無人機(jī)；電池補(bǔ)給；系統(tǒng)；運(yùn)輸；續(xù)航時(shí)間

采取了一種折衷方案，即通過建立一個(gè)無人機(jī)組成的電池補(bǔ)給系統(tǒng)，來達(dá)到增加續(xù)航時(shí)間的效果。此系統(tǒng)分為兩部分，一部分是運(yùn)輸貨物的無人機(jī)組成的運(yùn)輸型無人機(jī)，另一部分則是由電池充電平臺(tái)和補(bǔ)給電池的補(bǔ)給型無人機(jī)。

1 儀器及流程

1.1 儀器

3D打印設(shè)備、主控芯片STM32、arduino控制模塊、鋰電池電量芯片ltc2942、六軸傳感器MPU6050、數(shù)字羅盤HMC5583L、esp8266-12E wifi模塊、電機(jī)、電腦、鋰電池、SL1053鋰電池充電芯片，5v200w開關(guān)電源

1.2 流程

如圖1所示，整體流程分兩部分：平臺(tái)與補(bǔ)給機(jī)對(duì)接、運(yùn)輸機(jī)與補(bǔ)給機(jī)對(duì)接。主要任務(wù)是平臺(tái)與補(bǔ)給機(jī)對(duì)接實(shí)時(shí)控制和檢測無人機(jī)電池分配狀態(tài)，并通過平臺(tái)設(shè)備來為運(yùn)輸機(jī)提供所需的補(bǔ)給供電，然后利用補(bǔ)給機(jī)來為運(yùn)輸機(jī)補(bǔ)充所需的電能，從而使運(yùn)輸機(jī)在不改變自身的飛行狀態(tài)的情況下獲得電能的補(bǔ)給[1-4]。

圖1 整體流程

1.2.1 平臺(tái)對(duì)接流程：

如圖2所示，當(dāng)平臺(tái)檢測到平臺(tái)內(nèi)部存在已經(jīng)電量已經(jīng)飽和且補(bǔ)給機(jī)內(nèi)部無補(bǔ)給電池的情況下，將會(huì)向補(bǔ)給機(jī)發(fā)出需要進(jìn)行補(bǔ)給機(jī)動(dòng)作的信息，補(bǔ)給機(jī)響應(yīng)向平臺(tái)發(fā)送接收信息后，兩機(jī)對(duì)接開始，并完成補(bǔ)給機(jī)與平臺(tái)的電池交換的動(dòng)作，從而使補(bǔ)給機(jī)在獲得電力的同時(shí)，又保證運(yùn)輸機(jī)電力補(bǔ)給的充足，同時(shí)這種做法會(huì)在一定程度上提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度[5]。

圖2 平臺(tái)對(duì)接流程

1.2.2 補(bǔ)給機(jī)與運(yùn)輸機(jī)對(duì)接流程：

如圖3所示，當(dāng)運(yùn)輸機(jī)在運(yùn)行過程中檢測到電量過低時(shí)，運(yùn)輸機(jī)向補(bǔ)給機(jī)發(fā)出請(qǐng)求補(bǔ)給的信息，補(bǔ)給機(jī)收到后檢測補(bǔ)給機(jī)內(nèi)部是否存在補(bǔ)給電池。若不存在，則補(bǔ)給機(jī)發(fā)送等待的信息到運(yùn)輸機(jī)，運(yùn)輸機(jī)降落至安全區(qū)等待補(bǔ)給機(jī)發(fā)送等待補(bǔ)給機(jī)發(fā)送信息，若運(yùn)輸機(jī)接收到確認(rèn)信息后，兩機(jī)開始對(duì)接，并完成對(duì)接后補(bǔ)給機(jī)放回平臺(tái)。

圖3 補(bǔ)給機(jī)與運(yùn)輸機(jī)的對(duì)接流程

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無人機(jī)由STM32單片機(jī)為主控芯片對(duì)無人機(jī)進(jìn)行控制，利用lct2942芯片來檢測鋰電池電量，并將電量信息傳輸至單片機(jī)中，然后單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，若單片機(jī)判斷為運(yùn)輸機(jī)當(dāng)前電量為低時(shí)，將會(huì)通過計(jì)算機(jī)與wifi模塊的相互通信(線上模式)或各個(gè)機(jī)體間通過wifi通信(線下模式)兩種模式來向補(bǔ)給型機(jī)發(fā)出補(bǔ)給請(qǐng)求信息,補(bǔ)給型機(jī)收到指令后動(dòng)作，并與運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行對(duì)接。

圖4 整體系統(tǒng)硬件構(gòu)架

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中平臺(tái)的位置是不變的，運(yùn)輸機(jī)在平臺(tái)位置起飛以后一直保持通電狀態(tài)，在算法中利用矢量合成的方法去除重力加速度對(duì)無人機(jī)自身產(chǎn)生加速度的影響，并在飛行過程中不斷求加速度在(x,y,z)上對(duì)dt的二次積分值，利用磁力計(jì)得出運(yùn)輸機(jī)在空間中的相對(duì)指向，以此得出較為精確的相對(duì)位置。此時(shí)補(bǔ)給機(jī)可得到運(yùn)輸機(jī)的實(shí)時(shí)位置信息，調(diào)整自己的姿態(tài)并對(duì)接。

2.1 電池結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在的飛行器一般的鋰電池都是長方體形的，這里我們的鋰電池設(shè)定尺寸為55*30*10，為了讓鋰電池能夠配合對(duì)接裝置工作，在鋰電池外端設(shè)計(jì)了一種外殼，外殼由兩個(gè)對(duì)稱的帽狀物和連接板構(gòu)成。

2.2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)由充電電路、360度舵機(jī)控制的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤、對(duì)接裝置組成。

2.3 算法結(jié)構(gòu)

平臺(tái)運(yùn)行的算法結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 算法結(jié)構(gòu)

根據(jù)運(yùn)輸機(jī)完整的運(yùn)行時(shí)間計(jì)算平臺(tái)的電源充電電路(圖4.2.1)中的當(dāng)前最佳RCS電阻的大小記錄當(dāng)前RCS電阻大小數(shù)據(jù)的運(yùn)行曲線。

2.4 對(duì)接裝置結(jié)構(gòu)

2.4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

對(duì)接裝置是由三大部分構(gòu)成，分別是電池外殼滑道部分，電池外殼滑塊推桿部分，對(duì)接裝置軌道和動(dòng)力部分。且為了縮小裝置使其變輕、變薄，對(duì)滑塊推桿部分進(jìn)行了升降的設(shè)計(jì)，當(dāng)滑塊位于裝置形態(tài)學(xué)下端時(shí)，通過四邊形結(jié)構(gòu)讓推桿縮入軌道內(nèi)部。圖中的dx為對(duì)接響應(yīng)距離差

2.4.2 算法結(jié)構(gòu)

如圖六所示，對(duì)接啟動(dòng)采用了，雙機(jī)三次與計(jì)算機(jī)通信來觸發(fā)，觸發(fā)后補(bǔ)給機(jī)發(fā)送目標(biāo)相對(duì)坐標(biāo)請(qǐng)求到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接到請(qǐng)求后實(shí)時(shí)發(fā)送目標(biāo)相對(duì)坐標(biāo)，當(dāng)相對(duì)坐標(biāo)x,y,z都小于設(shè)定值時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)送相對(duì)坐標(biāo)的同時(shí)發(fā)送雙機(jī)對(duì)接第二步啟動(dòng)的命令，雙機(jī)推出部分電池，以加快對(duì)接響應(yīng)速度，完成后雙機(jī)發(fā)送給計(jì)算機(jī)第二步完成的信息，當(dāng)計(jì)算機(jī)接收到以后計(jì)算機(jī)進(jìn)入精確調(diào)控運(yùn)輸機(jī)的模式，以配合補(bǔ)給機(jī)對(duì)接，當(dāng)補(bǔ)給機(jī)穩(wěn)定與運(yùn)輸機(jī)上方給定距離時(shí)，由上到下，以順時(shí)針順序，來交換電池，并檢測電池電極與滑軌的接觸情況。若良好，發(fā)送至計(jì)算機(jī)對(duì)接成功的信息，計(jì)算機(jī)發(fā)送給補(bǔ)給機(jī)平臺(tái)的相對(duì)坐標(biāo)，補(bǔ)給機(jī)返回。

圖6 對(duì)接裝置算法結(jié)構(gòu)

電池?cái)?shù)量=[(飛行重量/(電池容量*電池電壓*效率))/(60*0.7)]+1(效率由螺旋槳官方的標(biāo)定給出)

3 電路圖

補(bǔ)給機(jī)和運(yùn)輸機(jī)整體電路圖相同?？傠娐穲D如圖7所示。

圖7 補(bǔ)給機(jī)(運(yùn)輸機(jī))整體電路圖

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)能夠部分的利用智能化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，如無人機(jī)快遞等，有效的減少人力需求，且達(dá)到快速準(zhǔn)確，可為其他無人機(jī)運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)智能化提供參考。

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Design of a UAV System to Replenish the Battery

WU Jia-xin,LOU Yang,WU Jia-ying,ZHANG Shi-jing,LU Li-juan,LU Xiao-dong,ZHANG Ji-jun

(Donghai Science and Technological College,Zhejiang Ocean University,Zhejiang Zhoushan 316022)

It presents a UAV battery replenishes system for increased transportation UAV life.

UAV；battery replenish system；transportation；life time

2016-06-01

全國教育信息技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃2015年度課題(156232399)

1007-2934(2016)05-0026-04

O 4-33

A DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.005.007

*通訊聯(lián)系人