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        基于單片機(jī)的無人機(jī)電池電量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2021-10-19 01:42:00王楠孫玉軍吳增偉
        現(xiàn)代信息科技 2021年5期

        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。

        參考文獻(xiàn):

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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。

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