王亞川 楊艷 韓亮 盛東偉

摘 要：設(shè)計了一種四軸飛行器無線供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，使線圈進行能量耦合，從而實現(xiàn)能量的傳遞。該系統(tǒng)不但為飛行器飛行中途充電，增加飛行器續(xù)航和負載，而且還可以實現(xiàn)在太陽能發(fā)電冗余條件下，為飛行器緊急充電。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)為提高充電的能量傳輸效率提供了一種可靠的解決方案。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器 無線供電 電磁感應(yīng) 太陽能發(fā)電

中圖分類號：V24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（c）-0094-03

Abstract：The wireless power supply system of four axis aircraft is designed. Based on principle of electromagnetic after energies of coil are forced to be coupled energies transmission will be realized. The system will charge the aircraft will be charged during flight and vehicles endurance and load will be increased by the wireless power supply system. Also， redundant solar power will charge for system in case of emergency. The simulation proved that a reliable solution is provided by the designed system of quadcopter.

Key Words：Four axis aircraft； Wireless power supply； Electromagnetic induction； Solar power generation

目前，無線充電技術(shù)已經(jīng)在手機、電動牙刷等智能電子產(chǎn)品上廣泛使用，并正在電動汽車領(lǐng)域開展深入應(yīng)用[1]。無線充電的弊端在于，充電速度慢，如果充電時間更快，那么無線充電技術(shù)將會極大地幫助飛行器進行長途飛行。本文所設(shè)計的飛行器無線供電系統(tǒng)，將在一定程度上緩解續(xù)航不足的狀況。

本文所設(shè)計的充電系統(tǒng)實現(xiàn)將電能到磁能的轉(zhuǎn)換后，再將磁能轉(zhuǎn)換成電能，無線充電系統(tǒng)部分可實面在無人機停止時，對飛行器進行無線充電，提供即充即飛的條件。在太陽能充電系統(tǒng)部分，設(shè)計了一種基于單片機的太陽能充電裝置，在飛行器飛行時，給其電池充電。所設(shè)計的系統(tǒng)在能量消耗達到最小，而獲得最大的電能傳輸效率。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成：（1）電磁感應(yīng)無線充電系統(tǒng)；（2）太陽能充電系統(tǒng)。設(shè)計的硬件電磁感應(yīng)無線充電系統(tǒng)由圖1所示，由NE555D脈沖發(fā)生器電路、功率放大及無線發(fā)射電路、感應(yīng)線圈電路、充電檢測電路組成。設(shè)計的硬件太陽能充電系統(tǒng)框圖2如下所示，由太陽能電源系統(tǒng)電路、單片機最小系統(tǒng)模塊、充電電路組成。

1.1 電磁感應(yīng)充電系統(tǒng)功能

無線充電系統(tǒng)應(yīng)用電磁感應(yīng)原理。本系統(tǒng)通過NE555D芯片產(chǎn)生一個36.7K的脈沖頻率，通過IRFP460進行功率放大，電流流過發(fā)射線圈，使線圈產(chǎn)生一個磁場，當接收線圈靠近時，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生電流，經(jīng)過全波整流和穩(wěn)壓，得到電池所需要的充電電壓和電流[2]。發(fā)射線圈流過的電流會隨著感應(yīng)電動勢的增加而增大，通過運算放大電路把0.33Ω的負載電壓23倍放大，再通過1N4148整流濾波得到電壓U1與基準源U0比較，經(jīng)測算該電磁感應(yīng)系統(tǒng)充電效率大約在80%。

1.2 太陽能充電系統(tǒng)功能

1.2.1 太陽能電源系統(tǒng)

太陽能電源系統(tǒng)主要由太陽能發(fā)電板、充放電控制器和鋰電池組成，如圖3所示。

太陽能電源系統(tǒng)的作用是從太陽能電池板上收集太陽光能量，將太陽能轉(zhuǎn)換成直流電能，再把轉(zhuǎn)化后的電能經(jīng)充放電控制器存儲在鋰電池中，并通過鋰電池給整個飛行器控制系統(tǒng)供電[3]。

1.2.2 單片機控制系統(tǒng)

單片機控制系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)模塊、掉電存儲電路、光照控制電路、定時控制電路和電源電路組成，如圖4所示。

單片機控制系統(tǒng)的作用是使用光照控制電路和定時控制電路輸入控制信號，通過液晶顯示器顯示系統(tǒng)相關(guān)信息，利用單片機輸出信號控制恒流驅(qū)動電路，實現(xiàn)鋰電池充電的自動開關(guān)[4-5]。

2 軟件設(shè)計

對于一個單片機控制系統(tǒng)來說，無論系統(tǒng)規(guī)模大小都需要對單片機進行編程控制，因此程序設(shè)計也是系統(tǒng)設(shè)計的重要工作之一。程序編寫的主要步驟有如下三點：

（1）首先要根據(jù)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能進行系統(tǒng)功能框圖設(shè)計，然后根據(jù)功能關(guān)系進行各組成模塊的功能框圖設(shè)計。

（2）根據(jù)系統(tǒng)功能框圖和模塊功能框圖，設(shè)計相應(yīng)的程序流程圖。在設(shè)計流程圖時要周密規(guī)劃，因為流程圖的工作流程就是程序的工作步驟，流程圖是否合理直接影響程序調(diào)試能否成功。

（3）根據(jù)相應(yīng)的程序流程圖來編寫程序文件。本系統(tǒng)的程序流程圖，如圖5所示。

3 實驗測試結(jié)果

以5600mAh鋰電池測算，通過安時效率公式：充電效率=（放電電流×放電至截止電壓的時間）÷（充電電流×充電時間）×100%，經(jīng)過實驗對系統(tǒng)進行多次仿真測試。結(jié)果如表1所示，表明電磁感應(yīng)供電系統(tǒng)的能量傳輸效率在80%左右，太陽能發(fā)電系統(tǒng)能量傳輸效率約為15%。

4 結(jié)語

本文主要設(shè)計了一種四軸飛行器無線供電系統(tǒng)。其硬件部分包括NE555D脈沖發(fā)生器電路、功率放大及無線發(fā)射電路、感應(yīng)線圈電路、充電檢測電路、陽能電源系統(tǒng)電路、單片機最小系統(tǒng)模塊和充電電路。通過實驗對系統(tǒng)進行多次仿真測試。結(jié)果表明，電磁感應(yīng)供電系統(tǒng)的能量傳輸效率在80%左右，太陽能發(fā)電系統(tǒng)能量傳輸效率約為15%。該系統(tǒng)設(shè)計能一定程度緩解四軸飛行器電池續(xù)航不足的短板，但是需要完全滿足飛行器的供電需求，還需要繼續(xù)開發(fā)、測試更高效的能量傳輸裝置。

參考文獻

[1] 佚名.帝國理工學(xué)院開發(fā)出無人機無線供電技術(shù)[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2016（21）：15.

[2] 余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].3版.北京：高等教育出版社，2006.

[3] 張曉光.12V太陽能電源控制器[J].電子制作，2006（9）： 12-14.

[4] 李曉玲.單片機原理與接口技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[5] 李全利.單片機原理及應(yīng)用（C51編程）（M].北京：高等教育出版社，2012.

[6] 杜樹春.單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)實例詳解[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.