張翼飛 劉亞娟

河南應用技術職業(yè)學院 河南鄭州 450042

無人機設備是利用無線遙控設備和自備程序控制操作下的不載人飛機，隨著無人機技術的迅猛發(fā)展，無人機所具有的體積小、造價低、使用方便等優(yōu)勢，使其廣泛應用到軍用領域和民用領域，滿足各領域的航拍、快遞運輸、救援等作業(yè)。但是在無人機的應用發(fā)展中，不可忽視其充電管理系統(tǒng)所存在的不足之處。如，無人機在快遞運輸中，其存在著供電不足，往往只能滿足短距離的快遞輸送，若是無法準確返航，將會影響無人機的使用壽命。

1 無人機電池智能管理系統(tǒng)的需求

1.1 安全性

無人機電池智能管理系統(tǒng)就要求實現(xiàn)對無人機電池系統(tǒng)的安全化管理。一方面是要求展開對無人機內部系統(tǒng)管理，避免因為充電柜同無人機電池組設備的不兼容所帶來的安全隱患。還要求確保在充電過程中無人機系統(tǒng)內部的各個模塊處于暫停狀態(tài)，在充電完成之后能夠自由運行。另一方面是要求展開對無人機電池系統(tǒng)的通訊安全管理。無人機設備型號同充電系統(tǒng)直接的信息傳輸是確保充電/存儲有序展開的關鍵所在。當前在無人機電池智能管理系統(tǒng)設計研發(fā)中，必須能夠完成對系統(tǒng)通訊模塊搭建，確保信息傳遞的及時性和有效性。

1.2 整體性

無人機電池智能管理系統(tǒng)并不是單獨存在著的，其需要有外部結構和內部控制系統(tǒng)，且兩者之間必須是協(xié)同一致能夠兼容的。因此在設計無人機電池智能管理系統(tǒng)過程中，需要采取整體性的設計原則，確保智能化充電、智能化管理，保證無人機電池安全、無人機系統(tǒng)內部安全。

2 無人機電池智能管理系統(tǒng)的整體方案

無人機電池智能管理系統(tǒng)主要分為的結構系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)共同組成對無人機電池充電、存儲的安全性管理。

2.1 無人機電池智能結構管理系統(tǒng)

無人機電池智能結構管理系統(tǒng)結構分為上下四層，分別是智能顯示區(qū)、電池充電區(qū)、電池存儲區(qū)以及智能管理區(qū)。無人機的電量情況可以通過智能顯示區(qū)顯示出來，繼而完成充電、存儲，而智能管理區(qū)則是完成對充電全過程的狀態(tài)和無人機其他零件環(huán)境的監(jiān)測，確保在充電過程中不會因為外界的因素導致電池充電故障問題。如，在充電中的無人機的電源出現(xiàn)短路故障，將會對無人機系統(tǒng)帶來影響，此時智能管理區(qū)中的智能以太網(wǎng)就可以直接斷開連接，啟動保護[1]。

2.2 無人機電池智能控制系統(tǒng)整體設計方案

控制系統(tǒng)是指導無人機有序展開充電、存儲以及安全管理的核心系統(tǒng)。其主要由以太網(wǎng)智能插座控制模塊、無人機電池充電模塊、系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測模塊、散熱模塊、HMI顯示模塊以及后臺服務模塊組成。在無人機電池智能管理中，由以太網(wǎng)智能插座控制模塊實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的核心控制，該模塊可以將充電柜中的相關參數(shù)信息上傳給后臺服務器，從而控制無人機電池充電模塊啟動作業(yè)。該模塊同HMI顯示模塊實現(xiàn)實時通訊，對于充電柜的相關參數(shù)進行顯示，散熱系統(tǒng)確保無人機電池充電系統(tǒng)擁有良好的工作環(huán)境。系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測模塊則是實時采集無人機電池系統(tǒng)中的溫度濕度、電壓電流等信息，確保系統(tǒng)的安全性。具體的控制系統(tǒng)設計方案如圖1所示。

圖1 無人機電池智能管理控制系統(tǒng)整體設計方案

3 無人機電池智能控制系統(tǒng)的具體設計

3.1 充電模塊設計

無人機電池智能控制系統(tǒng)中的充電模塊設計是重點所在，其主要是由開關電源、無人機智能充電器和無人機電池組成。①開關電源主要采用輸入為AC 100-220V交流電源，輸出為110V-32V的直流電源。輸出的直流電源同無人機智能充電器相接，借助充電器將直流電源轉變?yōu)楣β?150w的能源輸出，從而達到對無人機多個電池的充電以及存儲。在實際的充電管理中，需要利用高精度的檢流芯片進行電流和電壓的檢測，確保電流電壓符合該無人機型號的充電需求[2]。如，利用芯片INA282進行電流檢測，共模抑制比較高，通過外接較小的電阻器就可以精準測量無人機電池的電路情況。②電池是采用鋰電池，能夠實現(xiàn)快速、安全充電管理，并且當電池組長期不使用時，可以存儲電壓，避免電壓對于電池組的損害?？偟膩碚f，無人機電池系統(tǒng)主要是由功率主回路、STM32主控模塊、充電電流檢測模塊、單體電池電壓檢測模塊和無線通信模塊等組成。在充放電回路中主要采用新型主回路拓撲設計，該設計中采用軟開關工作方式，能夠將為輕松地實現(xiàn)對充電主回路和放電回路的高效轉移。如，在無人機充電完畢之后，能夠將電池電壓快速地降低到安全規(guī)定值，滿足不同無人機型號的需要。在放電回路設計中，新型主回路拓撲設計可以設置合適的放電終止電壓，有效避免過度放電現(xiàn)象，保證無人機鋰電池電壓能夠保持一個最佳的存儲值，提高無人機電池的穩(wěn)定性能，延長使用壽命。③無人機電池通信子模塊的設計。無人機的智能充電器是借由無線通信子模塊所實現(xiàn)的。在該系統(tǒng)中主要采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)無線通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸和應用。在充電過程中，充電柜能及時掌握無人機充電信息，而無人機的充電設備、電池設備的各種信息資料也可以通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)無線通信方式傳輸?shù)较到y(tǒng)參數(shù)采集模塊或者是后臺服務器中。

3.2 系統(tǒng)參數(shù)采集模塊設計

系統(tǒng)參數(shù)采集模塊需要完成實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集傳輸，同時需要對接HMI顯示屏和后臺服務器。它主要是由環(huán)境溫度、環(huán)境濕度以及電壓、電流相關傳感器組成。通過單片機來進行各種參數(shù)信息的傳輸和轉換，提高信息傳輸?shù)臏蚀_性和效率。如，采用16Mhz的單片機，展開對系統(tǒng)檢測電路輸出電壓A/D轉換，從而對溫度傳感器所采集到的信息進行數(shù)字量的處理以及PWM控制的輸出。

3.3 HMI顯示模塊和散熱模塊設計

顯示模塊不僅僅需要顯示對無人機電池智能管理系統(tǒng)的各種參數(shù)信息，還要求能夠顯示當前的通訊情況，進行通訊異常報警以及系統(tǒng)異常的報警提醒[3]。當出現(xiàn)系統(tǒng)內部的環(huán)境溫度過高時，顯示模塊將信息傳輸給后臺服務器，由后臺服務器啟動自動散熱模塊，進行系統(tǒng)自動散熱降溫。

3.4 后臺服務器

后臺服務器滿足無人機電池智能管理系統(tǒng)的遠程控制和集成控制。在無人機電池智能控制模塊中，各個模塊中的零部件和設備通過路由器接入到公網(wǎng)設備中，滿足對無人機設備整體控制管理。

4 無人機電池智能管理系統(tǒng)的測試與實現(xiàn)

實現(xiàn)對無人機電池智能管理系統(tǒng)的整體測試，通過啟動系統(tǒng)，展開無人機智能充電的實時畫面?zhèn)鬏?，可以發(fā)現(xiàn)，在無人機電池實時充電過程中，系統(tǒng)最上方的HMI顯示屏可以顯示各種充電參數(shù)，下方還有菜單選擇按鈕可以進行無人機電池類型、電流電壓等參數(shù)的設置和顯示，同時還有無人機充電電池的狀態(tài)顯示。通過實時的無人機電池充電管理測試 ，確保該系統(tǒng)功能完備，能夠進行正常高效工作。

5 結語

綜上所述，無人機電池智能管理系統(tǒng)是提供一種通用的無人機電池智能充電管理平臺，其能夠實現(xiàn)對不同類型無人機的電池智能充電，存儲，監(jiān)測等作業(yè)。本文所設計出的無人機電池智能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對無人機充電過程的全程監(jiān)控，提高了無人機應用效率和應用安全性。