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        自發(fā)電仿生風(fēng)箏系統(tǒng)研究

        2023-04-04 08:12:06王子涵丁文斌徐伊可鮑潤成李金偉馬國利
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2023年9期
        關(guān)鍵詞:單片機(jī)檢測系統(tǒng)

        王子涵,丁文斌,徐伊可,鮑潤成,李金偉,張 鑫,2*,馬國利,2

        (1.濱州學(xué)院 航空工程學(xué)院,山東 濱州 256600;2.山東省航空材料與器件工程技術(shù)研究中心,山東 濱州 256600)

        無人機(jī)在日常生活與軍事領(lǐng)域的應(yīng)用相當(dāng)廣泛,例如日常檢測、邊境偵查和航空測繪等。但無人機(jī)存在續(xù)航時(shí)間短、偽裝效果不佳等問題。為解決該問題,結(jié)合風(fēng)箏發(fā)電設(shè)計(jì)了自發(fā)電仿生風(fēng)箏系統(tǒng),風(fēng)箏在空中飛行時(shí)利用風(fēng)能與太陽能發(fā)電,并不間斷地提供給風(fēng)箏上的任務(wù)載荷,進(jìn)行長時(shí)間的工作,同時(shí)借助風(fēng)箏的長久駐空能力,完成相應(yīng)的檢測、偵察等任務(wù),例如信息偵查、地形勘察和圖像傳感等。結(jié)合仿生技術(shù),使風(fēng)箏能夠在空中實(shí)現(xiàn)隱蔽偽裝。在測試中,風(fēng)箏達(dá)到一定空中高度就可穩(wěn)定飛行,不需要人為長時(shí)間操作,便可在地面一直讀取檢測的數(shù)據(jù),做到實(shí)時(shí)、不間斷和長時(shí)間監(jiān)測偵察。同時(shí),又充分地利用了清潔能源,達(dá)到了節(jié)能減排的效果。

        1 總體方案設(shè)計(jì)

        本設(shè)計(jì)基于仿生空中無人偵察監(jiān)測系統(tǒng),通過利用無人飛行器上的相關(guān)裝置,研究一款在高空利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電并進(jìn)行相關(guān)任務(wù)的風(fēng)箏裝置。利用風(fēng)箏作為載體,合理地搭載發(fā)電系統(tǒng)與機(jī)載檢測設(shè)備,進(jìn)行空中作業(yè)。該裝置通過STC89C52 單片機(jī)芯片實(shí)時(shí)檢測各個(gè)供電支路的電能狀態(tài)數(shù)據(jù),根據(jù)所處環(huán)境條件來選擇不同的發(fā)電方式。風(fēng)能發(fā)電供電裝置,包括扇葉、對風(fēng)裝置、傳動(dòng)裝置和發(fā)電機(jī),搭配太陽能電池板,保證電能的持續(xù)供給。優(yōu)化風(fēng)箏結(jié)構(gòu),使風(fēng)箏平穩(wěn)飛行且發(fā)電裝置穩(wěn)定發(fā)電,提高風(fēng)能利用率。通過發(fā)電設(shè)備,源源不斷地將電能輸送給單片機(jī)、攝像頭和傳感器等任務(wù)載荷,在空中完成相應(yīng)操作任務(wù)。自發(fā)電仿生風(fēng)箏系統(tǒng)不僅能在空中充分利用清潔能源發(fā)電,并且還能提供給機(jī)載裝置使其各設(shè)備進(jìn)行工作,對地對空進(jìn)行長時(shí)間偵擦與檢測。利用該系統(tǒng)續(xù)航時(shí)間長、自主供能和偽裝便捷等特點(diǎn),在邊境等地區(qū)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測偵察等任務(wù),尤其在軍事上具備廣泛的應(yīng)用前景。

        在測試中,風(fēng)箏在空中達(dá)到一定高度就可穩(wěn)定飛行,不需要人為長時(shí)間操作,便可在地面一直讀取檢測的數(shù)據(jù),做到不間斷檢測。在不間斷檢測的同時(shí),又充分地利用了清潔能源,達(dá)到了節(jié)能減排的效果。解決風(fēng)箏的穩(wěn)定性是一難題,風(fēng)箏的空中搖晃會導(dǎo)致地面接收數(shù)據(jù)不穩(wěn)定,所以風(fēng)箏在空中平穩(wěn)尤為重要,為保證信號的傳輸,必須采用平穩(wěn)性強(qiáng),受風(fēng)波動(dòng)影響小的風(fēng)箏。同時(shí)為保證風(fēng)箏的偽裝效果,要盡可能減小風(fēng)箏大小,但減小風(fēng)箏蒙面面積必然影響風(fēng)箏迎風(fēng)面積,導(dǎo)致風(fēng)箏穩(wěn)定性下降,操控難度上升。對此,應(yīng)盡量對風(fēng)箏外表偽裝進(jìn)行改進(jìn),使用與監(jiān)測區(qū)域環(huán)境相融合的顏色對風(fēng)箏進(jìn)行偽裝,例如天空晴朗,可以利用藍(lán)色與白色進(jìn)行偽裝,也可采用透明復(fù)合材料設(shè)計(jì)風(fēng)箏。為便于對風(fēng)箏飛行姿態(tài)與穩(wěn)定性觀察,本文中系統(tǒng)載體為顏色較為鮮艷的風(fēng)箏。根據(jù)對風(fēng)箏飛行姿態(tài)與飛行性能的研究,采用三角形風(fēng)箏飛行性能較好,經(jīng)濟(jì)更加實(shí)惠,可適當(dāng)增大羽翼面積,采用彈性復(fù)合纖維做撐桿,來提高風(fēng)箏的飛行穩(wěn)定性。

        在確保風(fēng)箏發(fā)電效果下,提高偵察能力,可以增加多種檢測裝置,采集更廣泛更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。隨著任務(wù)裝置重量的增加,也應(yīng)增加載體風(fēng)箏的受風(fēng)面積,提高風(fēng)箏的升力,可采用尼龍綢等輕盈韌性高的材料來做風(fēng)箏蒙面,來減輕風(fēng)箏質(zhì)量。利用風(fēng)箏作為載體,本設(shè)備可以固定在一定范圍內(nèi)進(jìn)行長時(shí)間作業(yè),解放雙手。利用清潔能源的不間斷供給,不需要更換電池,綠色環(huán)保。自發(fā)電仿生風(fēng)箏系統(tǒng)不僅節(jié)約了人力物力,更節(jié)省時(shí)間。并且材料來源廣泛,制作成本低,操作簡單,不需要特殊培訓(xùn),也間接節(jié)約了成本。檢測裝置不受限制,可根據(jù)檢測所需增加相應(yīng)的設(shè)備,沒有固定要求,簡單化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多樣化,功能更加豐富,如圖1 所示。

        圖1 自發(fā)電仿生風(fēng)箏系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

        2 發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        發(fā)電裝置由風(fēng)力發(fā)電裝置和太陽能發(fā)電裝置組成。風(fēng)力發(fā)電裝置由水平風(fēng)力發(fā)電機(jī)與垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成,發(fā)電壓范圍在0~24 V,實(shí)驗(yàn)最大功率達(dá)到80 W,最大電流達(dá)到200 mA。太陽能發(fā)電裝置由兩塊太陽能電池板組成,最大電壓12 V;最大發(fā)電功率4 W;最大發(fā)電電流334 mA??偘l(fā)電裝置最大發(fā)電電流534 mA,通過升壓模塊,最大輸出電壓48 V;效率大于93%。繼電器是一種電子控制器件,其具有控制系統(tǒng)(又稱輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱輸出回路),通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中,其實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)和轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器起到對蓄電池過沖保護(hù)作用,保護(hù)電池。LM2596S 帶數(shù)表顯示降壓穩(wěn)壓電源模塊:輸入電壓2.5~35 V;輸出電顯壓1.25~35 V;輸出電流3 A;轉(zhuǎn)換效率92%。將電壓降壓穩(wěn)壓后輸入單片機(jī)使任務(wù)載荷工作,如圖2 所示。

        3 機(jī)載檢測設(shè)備

        3.1 控制核心

        以STC89C52 單片機(jī)作為控制核心。STC89C52 單片機(jī)是一款基于8 位處理芯片的系統(tǒng)。芯片內(nèi)集成了通用8 位中央處理器和ISPFlash 存儲單元,具有在系統(tǒng)可編程(ISP)特性,配合PC 端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部,速度更快。STC89C52 系列單片機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的兼容8052 內(nèi)核單片機(jī),是高速/低功耗的新一代52 單片機(jī),全新的流水線/精簡指令集結(jié)構(gòu),內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路。單片機(jī)是典型的嵌入式微控制器,由運(yùn)算器、控制器、存儲器和輸入輸出設(shè)備等構(gòu)成,相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī),可以控制多個(gè)模塊,實(shí)現(xiàn)智能化。單片機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是體積小,可放在儀表內(nèi)部,成本低,如圖3 所示。

        圖3 單片機(jī)原理圖

        3.2 傳感器監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        傳感器監(jiān)測系統(tǒng)以52 單片機(jī)作為核心控制器,主要應(yīng)用傳感器技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)、串口通信技術(shù)、超聲波測距技術(shù)和藍(lán)牙信號傳輸技術(shù)。溫濕度傳感器、紅外檢測模塊和煙霧傳感器作為任務(wù)載荷,構(gòu)成檢測控制系統(tǒng),該系統(tǒng)可分為主控制電路、液晶顯示接口電路、串口通信接口電路、溫濕度傳感器接口電路和藍(lán)牙信號發(fā)射電路。使用的主要器件有52 單片機(jī)、溫濕度傳感器SHT11、LCD12864 液晶顯示模塊、人體紅外檢測模塊、煙霧傳感器、藍(lán)牙發(fā)射模塊、圖傳設(shè)備和繼電器等。52 單片機(jī)整理數(shù)據(jù)后通過藍(lán)牙模塊傳送至地面接收器(手機(jī))。52 單片機(jī)系統(tǒng)由微控制器、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成,速度快。內(nèi)部集成MAX810 專用復(fù)位電路,2 路PWM(脈沖寬度調(diào)制),8f 路高速,10 位A/D 轉(zhuǎn)換(250 K/S,即25 萬次/秒),針對電機(jī)控制,強(qiáng)干擾場合。PM2.5檢測儀采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn),價(jià)格合適,同時(shí)具有斷電自動(dòng)保存數(shù)據(jù)功能。有EEPROM 功能,外部中斷I/O 口7 路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)斷,并新增加支持上升沿中斷的PCA 模塊,PowerDown 模式可由外部中斷喚醒。通用的全雙工異步串行口,如圖4 所示。

        圖4 自發(fā)電仿生風(fēng)箏系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)

        4 創(chuàng)新及應(yīng)用點(diǎn)

        通過風(fēng)箏搭載風(fēng)力發(fā)電裝置、太陽能板和任務(wù)載荷,實(shí)現(xiàn)風(fēng)能和太陽能利用與執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。解決風(fēng)箏的穩(wěn)定性是一難題,風(fēng)箏的空中搖晃導(dǎo)致地面接收數(shù)據(jù)不穩(wěn)定,風(fēng)箏在空中平穩(wěn)尤為重要,為保證信號的傳輸,必須采用平穩(wěn)性強(qiáng)、受風(fēng)影響小的風(fēng)箏。同時(shí)為保證風(fēng)箏的偽裝效果,應(yīng)盡可能減小風(fēng)箏面積,在確保風(fēng)箏發(fā)電效果下,提高偵察能力,因此可以增加多種檢測裝置,采集更廣泛更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。利用風(fēng)箏作為載體,本設(shè)備可以固定在一定范圍內(nèi)進(jìn)行長時(shí)間作業(yè),解放雙手,利用清潔能源的不間斷供給,不需要更換電池,綠色環(huán)保。本設(shè)計(jì)不僅節(jié)約了人力物力,更節(jié)省時(shí)間。并且材料來源廣泛,制作成本低,操作簡單,不需要特殊培訓(xùn),也間接節(jié)約了成本。檢測裝置不受限制,可根據(jù)檢測所需,增加相應(yīng)的設(shè)備,沒有固定要求,簡單的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多樣化,功能更加豐富(如圖5 所示)。

        圖5 自發(fā)電仿生風(fēng)箏系統(tǒng)整體實(shí)物圖

        該自發(fā)電仿生風(fēng)箏系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

        1)選用風(fēng)箏作為飛行載體,設(shè)計(jì)自發(fā)電自供給的仿生風(fēng)箏系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了低成本、長時(shí)間駐空。

        2)材料來源廣泛,成本低;可回收性強(qiáng),綠色環(huán)保。

        3)普及性較高,便于偽裝與偵察。

        4)操作簡單不需要特殊培訓(xùn)。

        5)采集風(fēng)能與太陽能轉(zhuǎn)化為所需的電能,有效利用清潔能源,做到節(jié)能減排。

        6)應(yīng)用廣泛,上到軍事科技,下到日常生活。

        5 結(jié)束語

        本文主要闡述了低成本空中長久監(jiān)測偵察飛行器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)在空中長久監(jiān)測偵察上不同于以往使用的飛行器,在空中充分利用清潔能源,實(shí)現(xiàn)設(shè)備長久工作,讓監(jiān)測偵察時(shí)間不局限于電池電量,實(shí)時(shí)監(jiān)測偵察的數(shù)據(jù)可無間斷傳輸?shù)降孛嬖O(shè)施,而且還可根據(jù)檢測的需求增加不同的模塊進(jìn)行監(jiān)測,得到所需要的數(shù)據(jù)。采用仿生風(fēng)箏為空中載具,可以駐空長久飛行。在研究中,設(shè)備獲取的信息不間斷地提供給地面,得到完整精確的數(shù)據(jù),增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可分析性。該設(shè)備能夠?qū)Φ孛婧涂罩羞M(jìn)行長時(shí)間的監(jiān)測偵察,解決了監(jiān)測偵察時(shí)間短的難題,具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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