王楠 孫玉軍 吳增偉

摘? 要：在對無人機(jī)電池管理的調(diào)查基礎(chǔ)上，對無人機(jī)電池電量采集技術(shù)進(jìn)行了研究。提出了一種通過實(shí)時(shí)監(jiān)測無人機(jī)各個(gè)電池芯電壓，判斷無人機(jī)電池的使用狀況、無人機(jī)電池的放電平衡狀態(tài)及無人機(jī)電池的剩余電量的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在故障發(fā)生前，進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，從而避免由于電池性能問題，造成無人機(jī)損壞，對無人機(jī)電池管理技術(shù)具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī);無人機(jī)電池;液晶觸摸屏

中圖分類號：TP368? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）05-0067-03

Design of UAV Battery Capacity Monitoring System Based on

Single-Chip Microcomputer

WANG Nan，SUN Yujun，WU Zengwei

（Cangzhou Technical College，Cangzhou? 061001，China）

Abstract：Based on the investigation of UAV battery management，research on UAV battery capacity collection technology. A monitoring system design for judging the usage status of the UAV battery，the discharge balance state of the UAV battery and the remaining power of the UAV battery by real-time monitoring of the voltage of each battery cells of the UAV is proposed. Before the failure occurs，a real-time alarm is carried out to avoid damage to the UAV due to battery performance problems，which has important practical application significance for the UVA battery management technology.

Keywords：STM32 single-chip microcomputer;UAV battery;LCD touch screen

0? 引? 言

隨著無人機(jī)技術(shù)的普及，無人機(jī)產(chǎn)業(yè)將由現(xiàn)有的單一測繪航測，轉(zhuǎn)型為應(yīng)用于交通、物流、礦產(chǎn)、電力、水利、農(nóng)業(yè)、娛樂等多個(gè)領(lǐng)域[1]的產(chǎn)業(yè)，可以說無人機(jī)服務(wù)已經(jīng)進(jìn)入人們的日常生活。但是在無人機(jī)電池的管理上，一直存在著比較大的安全隱患[2]。由于目前無人機(jī)電池電量采集技術(shù)的相對落后，一旦因?yàn)殡姵仉娏坎蛔愣馃o人機(jī)墜毀，將會(huì)造成不可估量的損害。因此，及時(shí)有效地監(jiān)測無人機(jī)電池的剩余電量，并在故障發(fā)生之前，進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警并自救顯得尤為重要。

1? 系統(tǒng)整體功能設(shè)計(jì)及各子模塊功能說明

本設(shè)計(jì)是一款基于STM32單片機(jī)的無人機(jī)電池性能實(shí)時(shí)線上監(jiān)測系統(tǒng)。采用AD采集模塊進(jìn)行無人機(jī)電池監(jiān)測，且連接簡單，拆卸方便，在不破壞原有無人機(jī)電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提高無人機(jī)飛行的安全性。該設(shè)計(jì)采用在線測量方式，在無人機(jī)飛行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測無人機(jī)電池狀態(tài)，能及時(shí)準(zhǔn)確地掌握無人機(jī)電池的性能，快速有效地根據(jù)無人機(jī)電池狀態(tài)控制無人機(jī)的飛行狀態(tài)。同時(shí)無人機(jī)電池工作狀況可以實(shí)時(shí)上報(bào)云端，相當(dāng)于飛行器“黑盒子”數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)備份到云端，從而進(jìn)行無人機(jī)電池的線上監(jiān)視，觀察無人機(jī)電池電量，并及時(shí)報(bào)知各芯電壓狀態(tài)，保證無人機(jī)正常飛行;該裝置也可以對其他多芯鋰電池的各芯電壓狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)報(bào)告無人機(jī)電池組的狀態(tài)，確保設(shè)備正常運(yùn)行。

因此，本裝置可以應(yīng)用于缺少電池監(jiān)視的無人機(jī)系統(tǒng)，以保證無人機(jī)的安全，具有很好地發(fā)展前景和實(shí)際應(yīng)用意義。

1.1? 系統(tǒng)整體功能設(shè)計(jì)

為了在線有效地對無人機(jī)電池電量進(jìn)行實(shí)時(shí)線上監(jiān)測，系統(tǒng)功能需要由多個(gè)子模塊協(xié)作完成。通過對本系統(tǒng)的整體功能進(jìn)行分析可以得出，無人機(jī)電池性能監(jiān)測系統(tǒng)主要由STM32主控模塊、無人機(jī)飛行器、電池采樣模塊、液晶顯示模塊及無人機(jī)控制模塊等共同組成。系統(tǒng)整體原理圖如圖1所示。

1.2? 各子模塊功能說明

1.2.1? STM32主控模塊

STM32主控模塊采用STM32F407VET6單片機(jī)芯片，運(yùn)算速度快、集成度高、擴(kuò)展性強(qiáng)，負(fù)責(zé)對采集模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)各電池芯電量狀態(tài)，實(shí)時(shí)采取相應(yīng)的控制;本裝置無人機(jī)電池采用3芯供電，總電壓標(biāo)準(zhǔn)值11.1 V，滿沖狀態(tài)12.6 V，設(shè)置保護(hù)門限電壓為3.6 V，當(dāng)無人機(jī)電池有一芯電壓低于3.6 V時(shí)，保護(hù)裝置就會(huì)啟動(dòng)，提示無人機(jī)盡快降落，避免墜機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.2? 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的重要方式，可以彩色顯示各種信息、清晰度高、功耗低，是常用的顯示設(shè)備。另外，此電阻式觸摸屏性能優(yōu)良、價(jià)格低廉，可以作為良好的人機(jī)交互界面。本系統(tǒng)采用了自行設(shè)計(jì)的電阻觸摸屏，利用2.8寸彩色TFTLCD液晶觸摸屏作為系統(tǒng)的人機(jī)交互設(shè)備，可用于顯示工作狀態(tài)及各電池芯電壓狀態(tài)以及是否虧電情況，且便于調(diào)試工作，也可以在無人機(jī)飛行時(shí)去掉該模塊，來減輕無人機(jī)自身重量。

1.2.3? 電池采樣模塊

電池采樣模塊用于采集無人機(jī)電池各芯的電壓信息，該模塊采用大電阻分壓電路，電路簡單可靠、功耗低、成本低。

1.2.4? 無人機(jī)控制模塊

無人機(jī)控制模塊采用聲音、光電信號，用于提示無人機(jī)電池電壓不足或者單芯出現(xiàn)故障等情況。本系統(tǒng)通過ESP8266進(jìn)行云端連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳云端，方便遠(yuǎn)程監(jiān)控工作狀態(tài);控制指令可以通過云端下達(dá)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2? 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在進(jìn)入工作模式之后，首先程序進(jìn)行初始化，分別設(shè)置中斷優(yōu)先級與系統(tǒng)時(shí)鐘，然后設(shè)置串口1與串口3的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)、收發(fā)等硬件信息，串口1用來進(jìn)行調(diào)試信息，串口3發(fā)送無人機(jī)電池測試數(shù)據(jù);LED初始化，LED用來指示程序運(yùn)行狀態(tài);LCD初始化，LCD是界面顯示電芯測試信息，為了顯示漢字設(shè)置W25Q存放漢字庫;W25Q初始化，完成漢字庫讀寫測試;按鍵初始化，ADC初始化，ADC輸入端連接電芯采樣電路，采集電芯電壓變化信息;機(jī)智云初始化，監(jiān)測裝置通過ESP8266連接機(jī)智云，設(shè)置機(jī)智云對無人機(jī)電芯監(jiān)測裝置的采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸方式、數(shù)值類型、讀寫控制等，獲取該設(shè)備的Product Key和Product Secret秘鑰。

初始化工作準(zhǔn)備就緒后，本裝置連接到機(jī)智云，可以實(shí)時(shí)上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，如果硬件存在問題，則輸出錯(cuò)誤信息，等待故障排除與復(fù)位。正常飛行時(shí)為了減輕重量可以不接LCD屏，LCD屏用于程序調(diào)試方便信息顯示，液晶屏輸出電池信息。采樣電路獲取電池電壓，該模擬量輸入到ADC電路，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，可以上傳到機(jī)智云，方便查詢與記錄，用戶可以通過電腦端分析電芯數(shù)據(jù)，也可以通過手機(jī)APP實(shí)時(shí)獲取電芯狀態(tài)。將測得的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行對比，如果電壓低于設(shè)定值，就報(bào)警，提示用戶電池處于虧電狀態(tài)，及時(shí)降落無人機(jī);如果電芯電壓正常就進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，繼續(xù)監(jiān)測。

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2所示。

系統(tǒng)主程序重要代碼為：

adcx1=Get_Adc_Average（ADC_Channel_3，20）; LCD_ShowxNum（134，130，adcx1，4，16，0）;

if（adcx1<4096/3.3*3.8/6.17）

LCD_ShowString（30，70，200，16，16，"voltage1 is bad "）;

else

LCD_ShowString（30，70，200，16，16，"voltage1 is good"）;

temp1=（float）adcx1*（3.3/4096）*6.17;

adcx1e=temp1;

LCD_ShowxNum（142，150，adcx1e，1，16，0）;

temp1-=adcx1e;

temp1*=1000;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? LCD_ShowxNum（158，150，temp1，3，16，0X80）;

delay_ms（250）;

adcx2=Get_Adc_Average（ADC_Channel_4，20）; LCD_ShowxNum（142，170，adcx2，4，16，0）;

if（adcx2<4096/3.3*7.6/6.17）

LCD_ShowString（30，90，200，16，16，"voltage2 is bad "）;

else

LCD_ShowString（30，90，200，16，16，"voltage2 is good"）;

temp2=（float）adcx2*（3.3/4096）*6.2;

adcx2e=temp2;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? LCD_ShowxNum（142，190，adcx2e，1，16，0）;

temp2-=adcx2e;

temp2*=1000;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? LCD_ShowxNum（158，190，temp2，3，16，0X80）;

delay_ms（250）;

adcx3=Get_Adc_Average（ADC_Channel_5，20）; LCD_ShowxNum（142，210，adcx3，4，16，0）;

if（adcx3<4096/3.3*11.4/6.17）

LCD_ShowString（30，110，200，16，16，"voltage3 is bad "）;

else

LCD_ShowString（30，110，200，16，16，"voltage3 is good"）;

temp3=（float）adcx3*（3.3/4096）*6.11;

adcx3e=temp3;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? LCD_ShowxNum（134，230，adcx3e，2，16，0）;

temp3-=adcx3e;

temp3*=1000;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? LCD_ShowxNum（158，230，temp3，3，16，0X80）;

delay_ms（250）;

3? 關(guān)鍵性能指標(biāo)及整機(jī)完成結(jié)構(gòu)圖

3.1? 關(guān)鍵性能指標(biāo)

本設(shè)計(jì)有以下四個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)：

（1）無人機(jī)電池測量裝置連接無人機(jī)電池充電接口，對每一個(gè)電池芯狀態(tài)進(jìn)行采樣，得到無人機(jī)電池的數(shù)據(jù)，計(jì)算無人機(jī)電池的剩余電量和剩余使用時(shí)間。

（2）各個(gè)無人機(jī)電池的電芯電壓經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，與設(shè)置閾值電壓進(jìn)行比較，根據(jù)電壓狀態(tài)確定無人機(jī)飛行狀態(tài)，確保電量降低到一定程度或電芯電壓低于閾值時(shí)采取安全措施，確保無人機(jī)安全降落。

（3）無人機(jī)電池在線監(jiān)控系統(tǒng)，將無人機(jī)電池信息通過無線收發(fā)模塊，發(fā)送至地面監(jiān)控裝置，無人機(jī)操作人員可以及時(shí)有效地掌握電池工作狀態(tài)。

（4）機(jī)載顯示模塊顯示電池狀態(tài)，便于直觀查看電芯信息，為了減輕飛行重量，顯示模塊采用擴(kuò)展掛載方式，可以去掉顯示模塊。

3.2? 整機(jī)完成結(jié)構(gòu)圖

整機(jī)完成結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其中包含當(dāng)前無人機(jī)電池的電量等相關(guān)采集數(shù)據(jù)。

4? 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)與可擴(kuò)展之處

4.1? 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

本設(shè)計(jì)有以下四個(gè)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：

（1）本系統(tǒng)對各電芯分別取樣測量，實(shí)時(shí)監(jiān)測電池各個(gè)電芯，無人機(jī)飛行控制器自帶的電池電壓是測量各個(gè)電芯串聯(lián)的總電壓[3]，單獨(dú)測量各個(gè)電芯電壓更能準(zhǔn)確反映電池性能狀態(tài)，如有一個(gè)電芯性能降低或者失效[4]，電池保護(hù)系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)[5]，確保無人機(jī)飛行安全。

（2）無人機(jī)電池充電接口作為采樣點(diǎn)，連接簡單，不破壞電池原有結(jié)構(gòu)。

（3）機(jī)載顯示模塊做成可拆卸結(jié)構(gòu)，方便使用，便于減輕無人機(jī)的飛行重量。

（4）加入了機(jī)智云管理系統(tǒng)，可以線上監(jiān)控電池電量，保證在無人機(jī)安全電量不足時(shí)會(huì)發(fā)出警告。

4.2? 可擴(kuò)展之處

本設(shè)計(jì)有以下三個(gè)可擴(kuò)展之處：

（1）該設(shè)計(jì)采用聲音、燈光提示無人機(jī)電池電量不足或者單芯電壓低于門限值，應(yīng)該采取保護(hù)措施，將來可以升級為接入無人機(jī)圖傳或者Wi-Fi發(fā)送給駕駛員。

（2）采用更精準(zhǔn)的取樣電路，進(jìn)一步提高采樣精度，可以加上接口反接保護(hù)措施，避免燒毀電路。

（3）可以設(shè)計(jì)成小電路板結(jié)構(gòu)，降低重量，有利于增加無人機(jī)的飛行時(shí)間。

5? 結(jié)? 論

本裝置設(shè)計(jì)了一款基于STM32單片機(jī)的無人機(jī)電池性能實(shí)時(shí)線上監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測無人機(jī)各個(gè)電池芯電壓情況，來判斷電池使用狀況及電池放電平衡狀態(tài)，且能實(shí)時(shí)監(jiān)測電池的剩余電量，在故障發(fā)生之前，進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，從而避免由于電池性能問題造成的無人機(jī)損壞。該裝置通過進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)?zāi)M，能夠?qū)崟r(shí)采集無人機(jī)電池的電量信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)設(shè)置相應(yīng)的閾值，采取相應(yīng)的措施。故本系統(tǒng)可以做到及時(shí)有效地預(yù)防無人機(jī)由于電池電量不足而導(dǎo)致的墜機(jī)問題，具有一定的市場前景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡介：王楠（1986—），女，漢族，河北河間人，講師，碩士，研究方向：電氣工程。