基于嵌入式系統(tǒng)的太陽(yáng)能航空模型能源系統(tǒng)的應(yīng)用與研究

楊志永 張雷 羅政 王利敏

摘 要：基于嵌入式系統(tǒng)的能源控制器能夠有效地將現(xiàn)有的高質(zhì)量蓄電池和太陽(yáng)能有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，可以有效地解決光照不強(qiáng)，載重過(guò)大等一系列小型無(wú)人機(jī)固有的難題，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外對(duì)于無(wú)人機(jī)的飛行研究也逐步深入，而最大程度提高能源轉(zhuǎn)化效率是未來(lái)的主要研究方向。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；能量管理；無(wú)人機(jī)

引言

近幾年，地震、泥石流、洪澇災(zāi)害等自然災(zāi)害不斷，需要實(shí)時(shí)獲得最新的空中實(shí)景狀況，尤其近期發(fā)生的?；繁ㄊ录枰獙?shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面，而無(wú)人機(jī)恰好是最佳的選擇。

太陽(yáng)能飛機(jī)以太陽(yáng)能為能源，既綠色環(huán)保又滿足了飛機(jī)在空中長(zhǎng)時(shí)間飛行需要。若在小型模型飛機(jī)上加裝了一系列設(shè)備后，民用上可用于大氣研究、天氣預(yù)報(bào)、環(huán)境及災(zāi)害監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物遙測(cè)、交通管制、電信和電視服務(wù)、自然保護(hù)區(qū)的監(jiān)控等。在軍用上可用于邊境巡邏、偵查、通信中繼、電子對(duì)抗等作用。由于高空長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)具有重要的民用和軍事用途，各國(guó)都把高空長(zhǎng)航時(shí)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)列為重要的發(fā)展項(xiàng)目[1]。

以太陽(yáng)能利用為標(biāo)志的新能源技術(shù)是未來(lái)發(fā)展的方向之一。由此所形成的高科技產(chǎn)業(yè)——太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)，主要研究生產(chǎn)各種太陽(yáng)能跟蹤、捕獲、轉(zhuǎn)換、傳輸和存儲(chǔ)的技術(shù)和設(shè)備，必將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 當(dāng)前面臨的主要問(wèn)題

1.1 電能管理系統(tǒng)

需要以硅太陽(yáng)能電池板作為能源的電動(dòng)機(jī)為模型飛機(jī)提供足夠的動(dòng)力。目前，太陽(yáng)能電池的研究日新月異，在各個(gè)領(lǐng)域都有充分的應(yīng)用，比如太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能熱水等，但是面對(duì)每天巨大的太陽(yáng)能資源，最重要的是能夠具有很高的能源轉(zhuǎn)化效率。

航空領(lǐng)域的太陽(yáng)能電池板一般都具有很好的能量轉(zhuǎn)化效率，而我國(guó)目前航空領(lǐng)域研制的太陽(yáng)電池沒(méi)有大范圍推廣，因此就必須從現(xiàn)有電池中尋找理想產(chǎn)品并把它應(yīng)用于太陽(yáng)能模型飛機(jī)。

1.2 太陽(yáng)能航模續(xù)航能力

太陽(yáng)能航模的應(yīng)用范圍以及應(yīng)用效果取決于太陽(yáng)能航模在空中的續(xù)航能力。而太陽(yáng)能航模在空中的續(xù)航能力與航模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，新型復(fù)合材料的使用等有關(guān)，而其中最重要的就是能源供應(yīng)問(wèn)題。如果能源能夠穩(wěn)定且高效地得到利用，那么太陽(yáng)能航模的應(yīng)用層面將會(huì)非常廣泛，所以我們著重對(duì)太陽(yáng)能航模上能源的轉(zhuǎn)化、供應(yīng)以及存儲(chǔ)進(jìn)行研究[2]。

2 能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和方案實(shí)施

本電路是基于STC12C5A60S2設(shè)計(jì)的，STC12C5A60S2自帶8路10位AD，以及2路PWM，由于用到太陽(yáng)能電池板，就不得不考慮過(guò)流的問(wèn)題，所以本電路采用的是IRF4905-P的MOS，漏極電流大，漏源耐壓值高，具有很好的線性，而且再配合上三極管驅(qū)動(dòng)電路使MOS管的開(kāi)關(guān)速度大大地提高，降低了MOS本身的功耗，單片機(jī)的功耗也是極其的小，一般只有幾十毫安，這樣就使大部分的電能用于充電，設(shè)計(jì)是基于過(guò)流保護(hù)精度高、反應(yīng)快的特性。

另一個(gè)方面就是對(duì)電池的保護(hù)，既可以延長(zhǎng)壽命又可以節(jié)省能量。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是當(dāng)充電電壓低于電池電壓市，采用脈沖充電的方式仍然會(huì)給電池充電；同時(shí)該控制器能夠有效地防止蓄電池過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流，可以達(dá)到該模型的需要，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行調(diào)試，該系統(tǒng)控制器由充電電路、切換電路、放電電路三部分組成，下面分別介紹其組成部分。

充電電路：通過(guò)檢測(cè)電流的大小，蓄電池參數(shù)和電路自身的分析，對(duì)輸出的電流以及電壓進(jìn)行調(diào)控，根據(jù)蓄電池的容量大小，可改變R以改變充電電流。

切換電路：當(dāng)有光照時(shí)，Q1導(dǎo)通，三極管控制使繼電器不耗電，無(wú)光照時(shí)，Q1截止，交流電經(jīng)常開(kāi)觸點(diǎn)送出。

放電電路：蓄電池對(duì)負(fù)載放電時(shí)端電壓會(huì)逐漸降低，當(dāng)端電壓降低到小于預(yù)先設(shè)定的過(guò)放電址值時(shí)，使K2釋放，LED2熄滅，Q4導(dǎo)通，Q5截止。當(dāng)蓄電池端電壓大于預(yù)先設(shè)定的過(guò)放電壓值時(shí)，04截止，Q5導(dǎo)通。該部分電路可形成雙遲滯電壓比較器，從而使電路在比較電壓的臨界點(diǎn)附近不會(huì)產(chǎn)生振蕩。（圖1）

圖1 能源控制器電路圖

3 結(jié)束語(yǔ)

能量管理系統(tǒng)，能夠?qū)μ?yáng)能電池板能量進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的管理和利用，當(dāng)其運(yùn)用于太陽(yáng)能航空模型后，可以使該模型的飛行時(shí)間和路程大大提高；伴隨著大型的太陽(yáng)能模型飛機(jī)的發(fā)展，搭載更多小型設(shè)備，可以使該太陽(yáng)能模型飛機(jī)有更廣闊的應(yīng)用前景[3]。

基于嵌入式系統(tǒng)的能源控制器能夠有效將現(xiàn)有的高質(zhì)量蓄電池和太陽(yáng)能有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，可以有效地避免光照不強(qiáng)，載重過(guò)大等一系列小型無(wú)人機(jī)固有的難題，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外對(duì)于無(wú)人機(jī)的飛行研究也逐步深入，而最大程度提高能源轉(zhuǎn)化效率是未來(lái)的主要研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧海強(qiáng)，余雄慶.太陽(yáng)能飛機(jī)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].航空科學(xué)技術(shù)，2006.

[2]高光林，李占科，宋筆鋒，等.太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析[D].西北工業(yè)大學(xué).

[3]莊天義.某太陽(yáng)能飛機(jī)總體飛機(jī)設(shè)計(jì)研究[D].北京航空航天大學(xué).

作者簡(jiǎn)介：楊志永（1992，7-），男，山西朔州，重慶交通大學(xué)河海學(xué)院本科生，研究方向：控制與優(yōu)化、水利技術(shù)。