徐朋*

（惠州市技師學(xué)院，廣東惠州，516000）

無人機太陽能續(xù)航系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

徐朋*

（惠州市技師學(xué)院，廣東惠州，516000）

近幾年無人機在很多領(lǐng)域應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展，然而續(xù)航時長卻大大制約無人機這一發(fā)展趨勢。受電池技術(shù)所限，無人機的續(xù)航問題一直無法取得實質(zhì)性的突破。隨著無人機技術(shù)與太陽能技術(shù)的發(fā)展，雖然目前太陽能在無人機上的應(yīng)用還處于探索階段，但將太陽能技術(shù)應(yīng)用在無人機領(lǐng)域以解決其續(xù)航時長問題，不僅綠色環(huán)保，還能大大提升無人機的續(xù)航時長，提高作業(yè)效率。

無人機；太陽能；續(xù)航

引言

無人機應(yīng)用領(lǐng)域最廣的就是在農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)施肥、灑藥，植保無人機具有作業(yè)效率高、單位面積施藥液量小、無需專用起降機場、機動性好、可遠(yuǎn)距離遙操作等優(yōu)點，從根本上避免作業(yè)人員暴露在農(nóng)藥中的危險，改善了操作者的勞動條件。特別是無人機植保在水田、高稈作物田作業(yè)和應(yīng)對暴發(fā)性病蟲害等方面已經(jīng)表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢，而且可以應(yīng)對農(nóng)村勞動力減少的問題，近年來發(fā)展迅猛。但是目前植保無人機尊在的普遍問題就是續(xù)航時間較短，有效作業(yè)時間一般在13分鐘左右。隨著單位面積噴灑收入的提升以及土地流轉(zhuǎn)的增加，長續(xù)航無人機的需求度會逐步顯現(xiàn)出來。增加載藥量，增長飛行時間可大大提高無人機的作業(yè)效率，因此高效率、長航時的中小型無人機將是今后的發(fā)展趨勢。

隨著近幾年無人機的快速發(fā)展，無人機已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域，尤其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的水田、高稈作物田作業(yè)和應(yīng)對暴發(fā)性病蟲害等方面，更是表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢。但續(xù)航時長阻礙著其發(fā)展。因此,提高中小型無人機續(xù)航將是今后的發(fā)展趨勢。然而，由于電池技術(shù)發(fā)展緩慢，通過改進現(xiàn)有電池的方法來增加無人機的續(xù)航時長在短時間內(nèi)很難取得突破[1]，我們需要一種新的方法來達到增加續(xù)航的目的，而太陽能作為一種綠色環(huán)保、取之不盡的能源，成為無人機續(xù)航不二的選擇。

太陽能無人機利用光電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生飛行動力的飛行器，是我國新世界航空工業(yè)重點發(fā)展的一個新領(lǐng)域[2]。因為太陽能無人機需要一定的面積來安裝太陽能電池，所以目前世界上的太陽能無人機都以固定翼為主。此項研究主要探索的是單晶硅太陽能電池在日常工作中為無人機提供穩(wěn)定、可靠的電源供給，使得無人機的續(xù)航能夠得以增加的新方法，同時為其他小型飛行器上的續(xù)航提供了解決方案。

1 太陽能無人機平臺

無人機一般來說包括感應(yīng)無人機運動狀態(tài)的各種傳感器、控制無人機運動的處理器、動力驅(qū)動器和實現(xiàn)無人機與地面端之間數(shù)據(jù)交互的通信單元。傳感器將外界環(huán)境的變化數(shù)據(jù)化之后交給處理器進行處理和決策，再驅(qū)動執(zhí)行模塊帶動無人機運動，實現(xiàn)其自主調(diào)節(jié)控制。大致可以分為4個系統(tǒng)模塊：傳感器模塊、飛行控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和電源模塊。

1.1 傳感器模塊

無人機的工作方式是由傳感器收集目前飛行器的各種狀態(tài)信息，將收集到的數(shù)據(jù)反饋到中央處理器也就是飛控當(dāng)中，飛控通過算法實時控制飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定同時通過接收機接受飛手通過遙控器發(fā)出的指令控制飛行器在空中做出相應(yīng)的姿態(tài)變化。

1.2 飛行控制系統(tǒng)

飛行控制部分采用了3DR公司生產(chǎn)的PIXHAWK飛行控制器，MCU采用了STM32F4，該控制器擁有2MB的閃存，256KB的數(shù)據(jù)存儲器以及串口總線，12位的ADC等豐富資源，擁有14路PWM。傳感器采用了HC-SR04超聲波測距傳感器、ST公司的L3GD20H陀螺儀、LSM303S加速度傳感器以及MEAS公司的MS5611氣壓計。

1.3 飛行動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)直接決定了無人機的負(fù)載和機動性能，采用群汐旋翼多軸盤式電機QM-4208，最大功率350W。電調(diào)采用好盈樂天40A電調(diào)，這是專門為多旋翼無人機研制的電調(diào)，油門響應(yīng)速度快、自適應(yīng)能力強并且高度智能化。最高可支持刷新率 621HZ的油門信號，兼容各種飛控。

1.4 電源模塊

電池采用容量為5200mAh，電壓為14.8V，放電倍率為25C的鋰聚合物電池。鋰聚合物電池具有比能量高、小型化、輕薄化、輕量化和安全性高等多種優(yōu)勢。聚合物電解質(zhì)不僅具有良好的導(dǎo)電性，而且還具備高分子材料所特有的質(zhì)量輕、彈性好、易成膜的特性，也順應(yīng)了化學(xué)電源質(zhì)量輕、安全、高效、環(huán)保的發(fā)展趨勢。

1.5 機架模塊

機架采用了飛躍680六軸機架，680毫米的軸距保證了飛行時的穩(wěn)定性。為了方便運輸和存放，機架的機臂設(shè)計成了可折疊的形式。

2 太陽能續(xù)航提升系統(tǒng)

太陽能續(xù)航提升系統(tǒng)主要由太陽能電池、鋰電池、穩(wěn)壓模塊和防回流模塊構(gòu)成。鋰電池是在無人機工作時為其提供正常運行所必須的電能；太陽能電池板則是在陽光充足時將太陽光的輻射能通過轉(zhuǎn)換變成電能以提供一部分無人機所需要的能量。

圖1 飛行電源系統(tǒng)邏輯框圖

2.1 防回流模塊

防回流模塊（整流模塊）是為了防止電池并聯(lián)的兩端電壓不相等形成電路的回流，從而造成電池的內(nèi)耗，浪費電池的電能。

2.2 穩(wěn)壓模塊

根據(jù)太陽能電池板的發(fā)電原理及特性，其輸出端電壓會隨著太陽光輻射的強弱而發(fā)生變化，所以需要進行穩(wěn)壓。穩(wěn)壓模塊的作用是使太陽能電池板的輸出端得到穩(wěn)定的電壓輸出，無論輸入電壓在范圍內(nèi)如何變動，能夠使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值不變。穩(wěn)壓電路采用了 LTC3780芯片對輸入電壓做穩(wěn)壓處理，輸入電壓在高于、等于、小于輸出電壓時，輸出電壓都可以保持穩(wěn)定不變。

2.3 太陽能電池

太陽能發(fā)電關(guān)鍵就在于太陽能電池,其中一個重要的指標(biāo)就是光電轉(zhuǎn)換效率，目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右。設(shè)計采用5V、160mA的太陽能電池板12塊，四串三并（并聯(lián)后電壓為20V）的連接方式，通過穩(wěn)壓模塊、防回流模塊以并聯(lián)的方式和鋰電池一同向無人機系統(tǒng)供電，以減少鋰電池電量的消耗。為了能夠有效的采集太陽能，本設(shè)計采用了 5V、160mA的太陽能電池板12塊，四串三并（并聯(lián)后電壓為20V）的連接方式通過穩(wěn)壓模塊以并聯(lián)的方式和鋰電池一同向無人機系統(tǒng)供電以減少鋰電池電量的消耗。

若有條件則可根據(jù)無人機型定制成半球形一體成型太陽能電池板，或根據(jù)機型這樣能更有效的利用無人機光照面積，以挖掘太陽能電池不多的潛能，提升太陽能無人機續(xù)航能力，最大限度的利用太陽能，提供更持久的續(xù)航。

3 太陽能無人機的測試

太陽能無人機飛行過程中采用地面遙控器發(fā)出控制指令控制無人機的姿態(tài)和位置，同時飛控將無人機的實時狀態(tài)通過OSD回傳模塊傳回地面系統(tǒng)以便于實時查看。飛機在空中通過各種傳感器感應(yīng)自身姿態(tài)和外界環(huán)境并不斷調(diào)整。續(xù)航能力測試主要是通過控制變量實驗測量太陽能無人機采用太陽能充電和無太陽能充電時續(xù)航能力的差距，通過測量鋰電池單獨供電時的飛行時間和有太陽能充電時的飛行時間并對比兩者得出數(shù)據(jù)。由于在測試時各種環(huán)境因素（如風(fēng)力、光照、溫度）會對實驗實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，使實驗變量不單一，所以需要設(shè)計一種測量方式，從而減小因外界環(huán)境因素產(chǎn)生的誤差。

首先，測出無人機在沒有裝備太陽能續(xù)航模塊時達到懸停狀態(tài)的油門百分比并記錄為A，裝備上太陽能續(xù)航模塊后無人機達到懸停狀態(tài)的油門百分比為B。之后將無人機固定在地面上，在鋰電池滿電的情況下分別做兩組實驗。第一組實驗將油門推到A然后每隔十秒記錄一次鋰電池的電壓。第二組實驗將油門推到B后也是每隔十秒記錄一次鋰電池的電壓。兩組實驗都在鋰電池電壓下降至14.4V時終止。通過比較兩組數(shù)據(jù)中鋰電池電壓下降的速率來反應(yīng)出太陽能續(xù)航模塊在飛行中所提供的額外電量，這樣可以最大程度消弱因外界因素對實驗的影響，使數(shù)據(jù)更加接近真實值。通過此方法測得數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 太陽能續(xù)航實驗數(shù)據(jù)密比

無人機在低空飛行時的穩(wěn)定性顯得格外重要。實驗讓無人機在1米的低空懸停一分鐘，然后通過飛控日志查看實時的高度在目標(biāo)高度是1米時的波動情況。從實驗來看，太陽能無人機在低空飛行時高度波動較小，可以滿足低空作業(yè)的條件。

4 結(jié)束語

太陽能無人機順應(yīng)了當(dāng)代綠色環(huán)保的要求，然而長航時太陽能無人機的實用化還需要相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，利用太陽能作為無人機電源的能量補充從而達到增加無人機續(xù)航的目的，從一定程度上緩解了當(dāng)前多軸無人機續(xù)航時長的問題，具有一定的參考借鑒意義。

太陽能無人機以太陽能為能源，對環(huán)境無污染，使用靈活、成本低，有著廣闊的應(yīng)用前景，由于太陽能無人機有著眾多優(yōu)勢，許多國家都在進行相關(guān)技術(shù)研究，隨著太陽能技術(shù)的不斷發(fā)展，在不久的將來，憑借著其高效、環(huán)保、安全的優(yōu)勢，無人機續(xù)航時長將會得到大幅度提升，其應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V泛。

[1]張曉瑛. 鋰電池在植保無人機的應(yīng)用研究[J]. 當(dāng)代農(nóng)機,2017,(5)：73-75.

[2]曹金亮,張春光,陳修強,等. 鋰聚合物電池的發(fā)展、應(yīng)用及前景[J].電源技術(shù),2014,38(1)： 168-169。

[3]高廣林,李占科,宋筆鋒,等. 太陽能無人機關(guān)鍵技術(shù)分析[J].飛行力學(xué),2010,28(1)： 1-4.

[4]張哲,王春達,李寧,等. 基于STM32的無人機噴灑系統(tǒng)[J]. 電子制作,2016,(6)： 8-9.

[5]鄧海強,余雄慶. 太陽能飛機的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 航空科學(xué)技術(shù),2006,(1)： 28-30.

Design and Realization of Unmanned Aerial Vehicle Life System

XU Peng*
(Huizhou City Technician College,Guangdong Huizhou,516001,China)

UAV; solar energy; life

G305

A

1672-9129(2017)06-0090-02

Summary：In recent years,UAVs have enjoyed rapid development in many fields. However,the life span of UAVs has greatly restricted the development trend of UAVs. Limited by the battery technology,UAV life problem has been unable to make substantial breakthroughs. With the development of UAV technology and solar energy technology,although the application of solar energy in UAV is still in the exploratory stage,the application of solar energy technology in the field of UAV to solve its problem of battery life is not only green but also greatly Improve the duration of UAV life,improve work efficiency.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.031

徐朋. 無人機太陽能續(xù)航系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 數(shù)碼設(shè)計,2017,6(6)： 90-91.

Cite：XU Peng. Design and Realization of Unmanned Aerial Vehicle Life System[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 90-91.

2017-02-13；

2017-03-16。

徐朋，性別：男；出生年月：1966.1；籍貫：浙江紹興；職務(wù)：教師；職稱：高級講師；學(xué)歷：博士；研究方向：自動控制、計算機應(yīng)用；工作單位：惠州市技師學(xué)院；

E-mail：xp8607@qq.com