張翼飛 劉亞娟

河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 河南鄭州 450042

無人機(jī)設(shè)備是利用無線遙控設(shè)備和自備程序控制操作下的不載人飛機(jī)，隨著無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，無人機(jī)所具有的體積小、造價(jià)低、使用方便等優(yōu)勢(shì)，使其廣泛應(yīng)用到軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域，滿足各領(lǐng)域的航拍、快遞運(yùn)輸、救援等作業(yè)。但是在無人機(jī)的應(yīng)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(jī)在快遞運(yùn)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(zhǔn)確返航，將會(huì)影響無人機(jī)的使用壽命。

1 無人機(jī)電池智能管理系統(tǒng)的需求

1.1 安全性

無人機(jī)電池智能管理系統(tǒng)就要求實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)電池系統(tǒng)的安全化管理。一方面是要求展開對(duì)無人機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)管理，避免因?yàn)槌潆姽裢瑹o人機(jī)電池組設(shè)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(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)模塊處于暫停狀態(tài)，在充電完成之后能夠自由運(yùn)行。另一方面是要求展開對(duì)無人機(jī)電池系統(tǒng)的通訊安全管理。無人機(jī)設(shè)備型號(hào)同充電系統(tǒng)直接的信息傳輸是確保充電/存儲(chǔ)有序展開的關(guān)鍵所在。當(dāng)前在無人機(jī)電池智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)中，必須能夠完成對(duì)系統(tǒng)通訊模塊搭建，確保信息傳遞的及時(shí)性和有效性。

1.2 整體性

無人機(jī)電池智能管理系統(tǒng)并不是單獨(dú)存在著的，其需要有外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)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(shè)計(jì)無人機(jī)電池智能管理系統(tǒng)過程中，需要采取整體性的設(shè)計(jì)原則，確保智能化充電、智能化管理，保證無人機(jī)電池安全、無人機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部安全。

2 無人機(jī)電池智能管理系統(tǒng)的整體方案

無人機(jī)電池智能管理系統(tǒng)主要分為的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)共同組成對(duì)無人機(jī)電池充電、存儲(chǔ)的安全性管理。

2.1 無人機(jī)電池智能結(jié)構(gòu)管理系統(tǒng)

無人機(jī)電池智能結(jié)構(gòu)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(chǔ)區(qū)以及智能管理區(qū)。無人機(jī)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(chǔ)，而智能管理區(qū)則是完成對(duì)充電全過程的狀態(tài)和無人機(jī)其他零件環(huán)境的監(jiān)測(cè)，確保在充電過程中不會(huì)因?yàn)橥饨绲囊蛩貙?dǎo)致電池充電故障問題。如，在充電中的無人機(jī)的電源出現(xiàn)短路故障，將會(huì)對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)帶來影響，此時(shí)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(dòng)保護(hù)[1]。

2.2 無人機(jī)電池智能控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

控制系統(tǒng)是指導(dǎo)無人機(jī)有序展開充電、存儲(chǔ)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(jī)電池充電模塊、系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊、散熱模塊、HMI顯示模塊以及后臺(tái)服務(wù)模塊組成。在無人機(jī)電池智能管理中，由以太網(wǎng)智能插座控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的核心控制，該模塊可以將充電柜中的相關(guān)參數(shù)信息上傳給后臺(tái)服務(wù)器，從而控制無人機(jī)電池充電模塊啟動(dòng)作業(yè)。該模塊同HMI顯示模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊，對(duì)于充電柜的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行顯示，散熱系統(tǒng)確保無人機(jī)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(cè)模塊則是實(shí)時(shí)采集無人機(jī)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(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 無人機(jī)電池智能管理控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

3 無人機(jī)電池智能控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

3.1 充電模塊設(shè)計(jì)

無人機(jī)電池智能控制系統(tǒng)中的充電模塊設(shè)計(jì)是重點(diǎn)所在，其主要是由開關(guān)電源、無人機(jī)智能充電器和無人機(jī)電池組成。①開關(guān)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(jī)智能充電器相接，借助充電器將直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)楣β?150w的能源輸出，從而達(dá)到對(duì)無人機(jī)多個(gè)電池的充電以及存儲(chǔ)。在實(shí)際的充電管理中，需要利用高精度的檢流芯片進(jìn)行電流和電壓的檢測(cè)，確保電流電壓符合該無人機(jī)型號(hào)的充電需求[2]。如，利用芯片INA282進(jìn)行電流檢測(cè)，共模抑制比較高，通過外接較小的電阻器就可以精準(zhǔn)測(cè)量無人機(jī)電池的電路情況。②電池是采用鋰電池，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、安全充電管理，并且當(dāng)電池組長期不使用時(shí)，可以存儲(chǔ)電壓，避免電壓對(duì)于電池組的損害?？偟膩碚f，無人機(jī)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(cè)模塊、單體電池電壓檢測(cè)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?fù)湓O(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)中采用軟開關(guān)工作方式，能夠?qū)檩p松地實(shí)現(xiàn)對(duì)充電主回路和放電回路的高效轉(zhuǎn)移。如，在無人機(jī)充電完畢之后，能夠?qū)㈦姵仉妷嚎焖俚亟档偷桨踩?guī)定值，滿足不同無人機(jī)型號(hào)的需要。在放電回路設(shè)計(jì)中，新型主回路拓?fù)湓O(shè)計(jì)可以設(shè)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(jī)鋰電池電壓能夠保持一個(gè)最佳的存儲(chǔ)值，提高無人機(jī)電池的穩(wěn)定性能，延長使用壽命。③無人機(jī)電池通信子模塊的設(shè)計(jì)。無人機(jī)的智能充電器是借由無線通信子模塊所實(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)用。在充電過程中，充電柜能及時(shí)掌握無人機(jī)充電信息，而無人機(jī)的充電設(shè)備、電池設(shè)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(tái)服務(wù)器中。

3.2 系統(tǒng)參數(shù)采集模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)參數(shù)采集模塊需要完成實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)收集傳輸，同時(shí)需要對(duì)接HMI顯示屏和后臺(tái)服務(wù)器。它主要是由環(huán)境溫度、環(huán)境濕度以及電壓、電流相關(guān)傳感器組成。通過單片機(jī)來進(jìn)行各種參數(shù)信息的傳輸和轉(zhuǎn)換，提高信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和效率。如，采用16Mhz的單片機(jī)，展開對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)電路輸出電壓A/D轉(zhuǎn)換，從而對(duì)溫度傳感器所采集到的信息進(jìn)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(shè)計(jì)

顯示模塊不僅僅需要顯示對(duì)無人機(jī)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(dāng)前的通訊情況，進(jìn)行通訊異常報(bào)警以及系統(tǒng)異常的報(bào)警提醒[3]。當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)境溫度過高時(shí)，顯示模塊將信息傳輸給后臺(tái)服務(wù)器，由后臺(tái)服務(wù)器啟動(dòng)自動(dòng)散熱模塊，進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)散熱降溫。

3.4 后臺(tái)服務(wù)器

后臺(tái)服務(wù)器滿足無人機(jī)電池智能管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和集成控制。在無人機(jī)電池智能控制模塊中，各個(gè)模塊中的零部件和設(shè)備通過路由器接入到公網(wǎng)設(shè)備中，滿足對(duì)無人機(jī)設(shè)備整體控制管理。

4 無人機(jī)電池智能管理系統(tǒng)的測(cè)試與實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)電池智能管理系統(tǒng)的整體測(cè)試，通過啟動(dòng)系統(tǒng)，展開無人機(jī)智能充電的實(shí)時(shí)畫面?zhèn)鬏敚梢园l(fā)現(xiàn)，在無人機(jī)電池實(shí)時(shí)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(jìn)行無人機(jī)電池類型、電流電壓等參數(shù)的設(shè)置和顯示，同時(shí)還有無人機(jī)充電電池的狀態(tài)顯示。通過實(shí)時(shí)的無人機(jī)電池充電管理測(cè)試 ，確保該系統(tǒng)功能完備，能夠進(jìn)行正常高效工作。

5 結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)電池智能管理系統(tǒng)是提供一種通用的無人機(jī)電池智能充電管理平臺(tái)，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同類型無人機(jī)的電池智能充電，存儲(chǔ)，監(jiān)測(cè)等作業(yè)。本文所設(shè)計(jì)出的無人機(jī)電池智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)充電過程的全程監(jiān)控，提高了無人機(jī)應(yīng)用效率和應(yīng)用安全性。