基于植保無人機(jī)的電池續(xù)航供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 銘，趙 珊，張文濤，任 嘉，蔣 峰

（中南林業(yè)科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，長沙 410004）

隨著無人機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，對(duì)用于農(nóng)林植物保護(hù)作業(yè)的無人機(jī)工作狀態(tài)的要求越來越高，而目前無人機(jī)的實(shí)際工作情況是續(xù)航時(shí)間一般只有20～30 min，對(duì)此提出了利用太陽能和電池進(jìn)行互補(bǔ)供電的新型無人機(jī)智能電源切換系統(tǒng)。

太陽能既是一次性能源，又是可再生的能源。它存量豐富，既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無任何污染。太陽能作為一種全新的能源利用方式，在低碳經(jīng)濟(jì)模式快速構(gòu)建的過程中將起到越來越重要的作用[1]。目前，利用太陽能進(jìn)行供電的地方很多，諸如太陽能發(fā)電并入電網(wǎng)、路燈供電等。由此，研究一種高效的、將太陽能運(yùn)用在其他方面的方式變得更加可行，文中提出將太陽能作為與蓄電池形成互補(bǔ)供電的特殊供電裝置；針對(duì)無人機(jī)用電電路的實(shí)際需要，采用邏輯門電路和MCU相結(jié)合的思路設(shè)計(jì)，給出高效智能的自動(dòng)切換供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 無人機(jī)供電系統(tǒng)工作原理分析

無人機(jī)系統(tǒng)通常由蓄電池、四軸或多軸上的電子調(diào)速器（簡(jiǎn)稱“電調(diào)”）和電機(jī)、飛行狀態(tài)控制器（簡(jiǎn)稱“飛控”）、電路分接板、GPS組成。文中以實(shí)際試驗(yàn)所用四軸飛行器為例，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 四軸無人機(jī)系統(tǒng)框架Fig.1 Four axis UAV system framework

在該系統(tǒng)中，蓄電池一般使用3S電池，其輸出電壓為11.1 V；蓄電池外接在供電分接板上，使四軸上的4個(gè)電調(diào)與電機(jī)形成并聯(lián)，能夠分別得到等量的電壓以供給4個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)等速轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)，從分接板上引出了給飛控供電的供電端口，使得飛控也能正常通電，產(chǎn)生飛行控制的作用，并由飛控帶動(dòng)GPS工作，為四軸飛行器提供實(shí)際的定位需求。其次，大多數(shù)飛行器的控制端發(fā)射器也由蓄電池進(jìn)行主要供電。

然而，目前市售的電池多為1800～3300 mA·h（本實(shí)驗(yàn)室使用的2塊電池分別為1800 mA·h和2300 mA·h）。這些電池通過理論計(jì)算和實(shí)際試飛不難發(fā)現(xiàn)，其續(xù)航時(shí)間大約都在10～20 min，且無法在電池電量不足的情況下再對(duì)飛行器進(jìn)行回收，并且這樣做會(huì)給電調(diào)造成不可修復(fù)的傷害。對(duì)此，提出了用于無人機(jī)系統(tǒng)的太陽能供電裝置，在光強(qiáng)充足的情況下，同時(shí)為蓄電池轉(zhuǎn)換多余的電能并進(jìn)行儲(chǔ)備；在光照強(qiáng)度不夠太陽能供電的情況下，為無人機(jī)系統(tǒng)切換為蓄電池供電。根據(jù)該供電系統(tǒng)的工作過程，可以得出電能存在雙向轉(zhuǎn)換：太陽能電池板→無人機(jī)系統(tǒng)?蓄電池，為此需設(shè)計(jì)一個(gè)雙向的DC-DC變換的無人機(jī)供電系統(tǒng)。

由于太陽能電池板的輸出電壓為12～15 V，無人機(jī)電源需求電壓為11.1～12 V，蓄電池的輸出電壓為11.1 V。該太陽能供電裝置系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖2 太陽能提供電能給無人機(jī)供電系統(tǒng)原理Fig.2 Solar energy supply to UAV power supply system schematic

2 雙向DC-DC變換供電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)該太陽能提供電給無人機(jī)供電系統(tǒng)的工作原理分析，要實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的供電控制，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)一個(gè)能夠進(jìn)行智能切換的雙向DC-DC變換器。在此重點(diǎn)介紹雙向DC-DC變換供電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程。

2.1 系統(tǒng)的工作模式以及性能指標(biāo)分析

如上所述，雙向DC-DC變換供電控制系統(tǒng)不僅需將太陽能電池板的12～15 V輸出電壓對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行供電，還需能將自身12～15 V電壓轉(zhuǎn)換為4.2～5 V給無人機(jī)的蓄電池供電，并自動(dòng)監(jiān)測(cè)太陽能電池板的輸出電壓，智能切換蓄電池的工作狀態(tài)。因此，該供電控制系統(tǒng)具有恒流充電、升壓放電、自動(dòng)切換3種工作模式。其充電電壓為5 V，考慮到無人機(jī)蓄電池的使用壽命，采用恒流充電，電流大小設(shè)定為2 A；降壓狀態(tài)下，其電壓需從12～15 V降到10.5～11.5 V進(jìn)行供電。

2.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該供電控制系統(tǒng)通常有隔離型和非隔離型2種設(shè)計(jì)方式。隔離型抗干擾能力強(qiáng)，體積較大，或同等體積下功率較小，通常用于高壓情況；非隔離型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本較低，輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬，適用于低壓供電場(chǎng)合。在此電壓為15 V，故選用非隔離型的拓?fù)湓O(shè)計(jì)方式。

考慮到研發(fā)周期、設(shè)計(jì)難度，擬選用集成的降壓、升壓穩(wěn)壓芯片通過外擴(kuò)簡(jiǎn)單的外圍電路，構(gòu)建Boost/Buck型電路，實(shí)現(xiàn)雙向DC-DC變換供電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于蓄電池充電時(shí)，該系統(tǒng)需要恒流，故設(shè)計(jì)中將降壓穩(wěn)壓電路的取樣反饋回路換成輸出電流取樣反饋，采用低端電阻取樣方式實(shí)現(xiàn)。

整個(gè)供電控制系統(tǒng)由雙向DC-DC變換器、測(cè)控電路組成。其中，雙向DC-DC變換器主回路包括恒流電路和升壓型穩(wěn)壓電路；測(cè)控電路包括電流取樣電路、過壓保護(hù)電路[6]、充放電模式自動(dòng)切換電路以及顯示電路。雙向DC-DC變換供電控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙向DC-DC變換供電控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of bidirectional DC-DC transform power supply control system

2.2.1 恒流充電模塊設(shè)計(jì)

由于該模塊工作在降壓充電的狀態(tài)，根據(jù)穩(wěn)壓的原理，考慮到電流穩(wěn)定精度以及轉(zhuǎn)換效率，選用降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2596實(shí)現(xiàn)。該芯片是電源管理單片集成電路，其最大輸入電壓為40 V，最大輸出電壓為37 V，最大能夠輸出3 A的電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性，適用于搭建本系統(tǒng)的恒流電路，設(shè)計(jì)中通過將電壓取樣換成電流取樣反饋到芯片反饋引腳實(shí)現(xiàn)恒流控制。其降壓恒流電路如圖4所示。

圖4 LM2596構(gòu)成的恒流充電電路Fig.4 A constant current charging circuit made up of LM2596

電感線徑的選擇主要由系統(tǒng)的開關(guān)頻率確定。開關(guān)頻率越大，線徑越小，但是所允許經(jīng)過的電流越小，并且開關(guān)損耗增大，效率降低。由于LM2596恒流電路中需要通過3 A內(nèi)的電流，故電感采用0.7 mm漆包線進(jìn)行繞制，磁芯采用鐵硅鋁黑色磁芯。對(duì)電感的計(jì)算需先計(jì)算電感電壓與微秒的乘積，即式中：Vsat為內(nèi)部開關(guān)飽和電壓；VD為二極管正向壓降；Vin為輸入電壓；Vout取輸出電壓的中間值。根據(jù)電路的設(shè)計(jì)要求，將數(shù)據(jù)代入式（1），當(dāng)最大電流為3 A時(shí)，確定的電感為33 μH。

為提高電路轉(zhuǎn)換的效率，該模塊要求所選二極管的開關(guān)速度快，正向壓降低，且能保護(hù)電路，設(shè)計(jì)中選用吸納二極管。吸納二極管是一種快速恢復(fù)二極管，在此用以為電感電流（當(dāng)開關(guān)管閉合時(shí)）提供通路，故所選吸納二極管的最大電流承載值至少為最大負(fù)載電流的1.3倍?？紤]到此電源在惡劣環(huán)境下需承受連續(xù)的短路輸出，因而該二極管最大電流承載值應(yīng)等于LM2596的極限輸出電流。

對(duì)于該二極管，其最壞的工作情況是輸出短路或過載，故其反向耐壓最小為模塊最大輸入電壓的1.25倍。因此，考慮到最大輸出電壓以及二極管的損耗影響，該電路的二極管選用肖特基二極管1N5822。1N5822具有正向?qū)妷旱停?.52 V），反向擊穿電壓高（為40 V），反向擊穿電流大（為3 A）等特點(diǎn)。布線時(shí)，1N5822必須靠近LM2596，且其管腳要短，連接的銅線也要短。

電路中電容值的計(jì)算公式為

由于電路中通過的電流較大，且最大輸入電壓為40 V，故電容的耐壓值選定為50 V，其容量根據(jù)所設(shè)計(jì)電路的實(shí)際需求分別選取100，220，1000 μF的電容。在電壓輸出端并聯(lián)多個(gè)低阻值瓷片電容，以減小輸出的電壓紋波。

電流采樣，通常采用電阻取樣及電流傳感器取樣的方式。由于整個(gè)系統(tǒng)采用非隔離方式，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，采用低端電阻取樣的方式，其阻值過大容易引起壓降，造成電壓誤差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取樣電阻選擇0.1 Ω/3 W。

2.2.2 升壓穩(wěn)壓放電模塊設(shè)計(jì)

同樣考慮到電壓輸出精度以及轉(zhuǎn)換效率，升壓型穩(wěn)壓電路選用集成直流升壓穩(wěn)壓芯片XL6009。該芯片內(nèi)置N溝道的功率MOSFET和固定頻率振蕩器，功耗小，輸出電壓穩(wěn)定，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)化效率高，最高輸出電壓可達(dá)60 V，符合要求。升壓放電電路如圖5所示。

圖5 XL6009構(gòu)成的升壓穩(wěn)壓電路Fig.5 A boost voltage regulator composed of XL6009

2.2.3 測(cè)控電路

測(cè)控電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的取樣、放大處理以及過壓保護(hù)、切換控制等。電流取樣采用低端電阻取樣方式，所取信號(hào)經(jīng)電壓放大后進(jìn)行采樣、誤差放大處理。過壓保護(hù)通過分壓電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)蓄電池兩端充電電壓進(jìn)行采樣來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電。充放電模式自動(dòng)切換電路的原理等同過壓保護(hù)電路，通過采樣直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓實(shí)現(xiàn)。

電路實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到LM358的應(yīng)用比較廣泛，且電路搭建方便，價(jià)格適宜，故最終選用LM358進(jìn)行信號(hào)的放大處理。LM358是內(nèi)部包括2個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器。

控制芯片選用STC單片機(jī)STC89C52。切換控制通過固態(tài)繼電器作為控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，其電路如圖6所示。過壓保護(hù)電路通過設(shè)計(jì)1個(gè)遲滯比較器來實(shí)現(xiàn)。

3 供電控制系統(tǒng)的程序編寫

根據(jù)雙向DC-DC變換供電控制系統(tǒng)的功能要求，整個(gè)系統(tǒng)程序需完成按鍵識(shí)別、A/D采樣、步進(jìn)控制、D/A轉(zhuǎn)換、過壓保護(hù)、數(shù)據(jù)顯示以及充放電自動(dòng)切換。其主程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖7所示。

4 測(cè)試與討論

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要求的性能參數(shù)指標(biāo)，對(duì)該無人機(jī)供電系統(tǒng)進(jìn)行了功能、指標(biāo)測(cè)試。具體調(diào)試步驟按照分模塊測(cè)試、軟件調(diào)試、軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、空載測(cè)試以及帶負(fù)載測(cè)試來進(jìn)行。

設(shè)置充電電流為2 A，輸入電壓固定在5 V時(shí)，所測(cè)實(shí)際充電電流為2.012 A，其變化率k為

圖6 自動(dòng)切換控制電路Fig.6 Automatic switching control circuit

圖7 程序?qū)崿F(xiàn)流程Fig.7 Program implementation flow chart

式中：Ic為測(cè)量值；Is為設(shè)定的理想值。經(jīng)過計(jì)算所測(cè)定的充電電流變化率為0.35%，表明電流穩(wěn)定度較高，滿足要求。

能量轉(zhuǎn)換效率η為

式中：P1，P2分別為充放電模式下的輸出、輸入功率。按照所測(cè)定的輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流進(jìn)行計(jì)算，可得：放電模式下η=82.3%；充電模式下η=81.2%。

由測(cè)試結(jié)果可以看出，存在以下元件的損耗：

①肖特基二極管的損耗 當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，流經(jīng)二極管的電流等于電感電流，能量損耗為其導(dǎo)通電阻上的壓降，大小為P=I2RD。

②電感由于導(dǎo)線存在電阻，引起的能量損耗為

式中：Re為雷諾數(shù)。

③數(shù)字電路的損耗 數(shù)字電路的損耗包括D/A、單片機(jī)、電機(jī)以及采樣電路等元器件的工作損耗。

雖然能量轉(zhuǎn)換效率較高，但仍有改進(jìn)的空間。由于影響效率的主要是磁性元件、功率器件，與控制器的關(guān)系不是很大。故在選擇電感、電阻等功率元件時(shí)，應(yīng)考慮元件自身能量的損耗，根據(jù)公式進(jìn)行計(jì)算，選擇合理的參數(shù)，以降低損耗，提高效率。由于理論計(jì)算存在誤差，如有可能可以通過選用不同參數(shù)的元器件進(jìn)行多次測(cè)試，最終確定合適的效率較高的元器件。

5 結(jié)語

所設(shè)計(jì)的太陽能無人機(jī)供電系統(tǒng)，經(jīng)過測(cè)試、試驗(yàn)檢驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)供電方式的自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的保護(hù)，并延長無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，且能量轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性較好，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。