一種巡檢無人機(jī)能量轉(zhuǎn)換及管理系統(tǒng)

張東明 袁鐘達(dá) 任 哲 袁 杰 王大為

（1.陜西省天然氣股份有限公司，陜西 西安 710016；2.西安愛生無人機(jī)技術(shù)有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

目前小型無人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅猛，無人機(jī)用于線路巡檢以替代人工巡檢正逐漸成為現(xiàn)實(shí)。在巡檢無人機(jī)領(lǐng)域，使用垂直起降無人機(jī)搭載任務(wù)設(shè)備進(jìn)行巡檢是一種常用方法。通常巡檢無人機(jī)的巡查范圍較大，因此要求其飛行時間長，起降時間短。目前市場上巡檢無人機(jī)搭載的電子設(shè)備的能量全部來源于電池，所以飛行時間受制于電池電量。旋翼與任務(wù)設(shè)備是主要的耗電部分，旋翼因為耗電大，所以需要單獨(dú)的旋翼電池，其充電和安裝都需要額外的時間。而任務(wù)設(shè)備的供電一般是起飛前就全部供電，并不能按需分配，這樣就會造成部分能量浪費(fèi)。

1 能量來源與能量密度

1.1 巡檢無人機(jī)能量常用來源

電池是無人機(jī)的能源之一。由于電池技術(shù)的進(jìn)步，今天的無人機(jī)才能夠得到飛速發(fā)展，但電池所具有的能量密度仍不如燃油，以電池為能量來源的無人機(jī)飛行時間短，并且任務(wù)設(shè)備的電源供電通常是在起飛前就通電，并保持全航程運(yùn)行，但是一般巡檢無人機(jī)的任務(wù)設(shè)備是圖像和照片的傳輸設(shè)備，在飛機(jī)飛到目標(biāo)航點(diǎn)之前并不需要開啟，因此，以電池為主要能源的無人機(jī)會造成一定的能源浪費(fèi)[1，5]。而燃油也可以作為無人機(jī)能量來源，而且不存在以上問題。

1.2 通用能源的能量密度

采用納米硅碳負(fù)極、富鋰正極的24 A·h 的鋰離子電池單體，質(zhì)量能量密度可達(dá)到374 W·h/kg，體積能量密度達(dá)到577 W·h/L。8 A·h 固態(tài)聚合物鋰電池60 ℃下，能量密度可達(dá)到240 W·h/kg，基于無機(jī)陶瓷固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)鋰電池室溫下，能量密度達(dá)到240 W·h/kg。37 A·h的鋰硫電池單體室溫下，能量密度達(dá)到566 W·h/kg，50℃下達(dá)到616 W·h/kg。5 A·h 鋰空氣電池單體能量密度達(dá)到526 W·h/kg。

汽油能量密度大約是12 MJ/kg～17 MJ/kg，而汽油機(jī)的效率通常在30%～70%，所以同重量的汽油具有的可用能量比電池多，油電混合能量將大于電池能量，純電池?zé)o人機(jī)基本只有30 min 的續(xù)航時間，難以滿足巡檢要求。油電混合無人機(jī)續(xù)航時間長，工作效率高，尤其在巡檢應(yīng)用領(lǐng)域，優(yōu)勢明顯。

2 巡檢無人機(jī)能量轉(zhuǎn)換

2.1 巡檢無人機(jī)能量轉(zhuǎn)換及管理整體設(shè)計

該方案巡檢無人機(jī)能量轉(zhuǎn)換及管理系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包括發(fā)電機(jī)、能量轉(zhuǎn)換電路和外部接口電路[2]。

飛行過程中發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)工作，發(fā)電機(jī)將燃油化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，同時發(fā)動機(jī)輸出一路轉(zhuǎn)速信號至能量轉(zhuǎn)換電路，用來監(jiān)測發(fā)動機(jī)及發(fā)電機(jī)的工作情況。能量轉(zhuǎn)換電路通過內(nèi)部的充電部分將發(fā)電機(jī)的電充至機(jī)載電池和旋翼電池[3]。外部接口與數(shù)據(jù)鏈相連，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成通用接口（即能量轉(zhuǎn)換電路可用的RS-232 和CAN2.0 接口）。能量轉(zhuǎn)換電路一方面將能量轉(zhuǎn)換電路的運(yùn)行狀態(tài)和檢測值傳回，一方面根據(jù)指令控制開關(guān)設(shè)備1 和設(shè)備2 的供電開關(guān)。整體方案如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)搭載設(shè)備溫度控制裝置整體方案設(shè)計

發(fā)電機(jī)采用小型發(fā)電機(jī)。能量轉(zhuǎn)化電路以STM32F103 處理器為核心，以MOS 管作為設(shè)備1 和設(shè)備2 的供電開關(guān)。電源整型濾波部分將發(fā)電機(jī)電源整型至28 V，采用兩路充電電路分別為機(jī)載電池和旋翼電池充電，使用CAN 和RS-232 接口與外部進(jìn)行通信。

2.2 能量轉(zhuǎn)換電路

能量轉(zhuǎn)換電路組成如圖2 所示，控制電路包括整流濾波部分，用以將發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)換至直流穩(wěn)定的電壓。2個MOS開關(guān)分別控制設(shè)備1 供電開關(guān)和設(shè)備2 供電開關(guān)。DC-DC 電源轉(zhuǎn)換電路包括多級電源轉(zhuǎn)換電路，用以產(chǎn)生適合各個芯片正常工作的電壓、適合充電電路和MOS 開關(guān)的電壓。電流采樣電路部分用來采集流過機(jī)載電池的電流，將其轉(zhuǎn)換成電壓，傳送給處理器。電壓采樣電路部分用來采集機(jī)載電池電壓，轉(zhuǎn)換到合適的電壓范圍內(nèi)，傳送給處理器。RS-232 接口轉(zhuǎn)換部分將接口轉(zhuǎn)換成RS-232 標(biāo)準(zhǔn)，連接至外部接口，用來與外部通信。CAN 接口轉(zhuǎn)換部分將接口轉(zhuǎn)換成RS-232 標(biāo)準(zhǔn)，連接至外部接口，用來與外部通信。充電電路1 由充電芯片構(gòu)成，用于給機(jī)載電池充電。充電電路2 由集成充電模塊構(gòu)成，用于給旋翼電池供電。處理器采用STM32F103，根據(jù)外部指令控制MOS 開關(guān)，進(jìn)而控制設(shè)備1 和設(shè)備2 工作。處理器根據(jù)檢測到的發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)控制充電電路工作，處理器將電流采樣值、電壓采樣值及運(yùn)行狀態(tài)通過外部接口發(fā)送出去[4]。

巡檢無人機(jī)能量轉(zhuǎn)換及組成如圖1 所示。各部分通過線纜相連。

能量轉(zhuǎn)換電路組成如圖2 所示，包括2 個MOS 開關(guān)、整流濾波部分、DC-DC 電源轉(zhuǎn)換部分、處理器部分、充電電路1 部分、充電電路2 部分、接口轉(zhuǎn)換部分、電流采樣部分和電壓采樣部分。

圖2 能量轉(zhuǎn)換電路組成圖

整流濾波部分由4 個二極管、穩(wěn)壓管和部分大電容構(gòu)成。整流濾波部分輸入端連接發(fā)電機(jī)，輸出端連接DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路。

DC-DC 電源轉(zhuǎn)換部分采用多級電路轉(zhuǎn)換構(gòu)成，共輸出3 種電壓，即28 V、3.3 V 和5 V 。28 V 連接至2 個MOS 開關(guān)，控制充電電路1 和充電電路2。3.3 V 連接至處理器，電壓采樣。5 V 電壓連接至電流采樣部分。還包括RS-232接口轉(zhuǎn)換電路和CAN 接口轉(zhuǎn)換電路。

2 個MOS 開關(guān)均以BSS138 和FDS6675 組合組成，共有輸入、輸出和使能端3 個端口。輸入端連接至DC-DC 電源轉(zhuǎn)換電路的28 V 輸出端，輸出端連接至外部設(shè)備，使能端連接至處理器。

充電電路1 采用BQ24650 電路對24 V 的機(jī)載電池充電，充電電路2 采用集成模塊對42 V 旋翼電池充電。電流采樣電路采用ACS722LLCTR 芯片將電流轉(zhuǎn)換成電壓，連接至處理器的ADC 部分。電壓采樣電路采用電阻分壓連接至以O(shè)PA365 組成的電壓跟隨電路，再連接至處理器的ADC部分。

RS-232 接口轉(zhuǎn)換電路連接至處理器的UART 接口，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RS-232 協(xié)議與外部通信。CAN 轉(zhuǎn)換電路連接至處理器的CAN 接口，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAN2.0 協(xié)議與外部通信。

2.3 程序處理流程

處理器程序采用C 語言編寫，利用芯片STM32F1 的串口和CAN 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。程序流程如圖3 所示。接收數(shù)據(jù)后解析數(shù)據(jù)，判斷是否開啟任務(wù)設(shè)備1，如果開啟，則將任務(wù)1 的I/O 接口電平拉高，如果不開啟，則將任務(wù)1 的I/O 接口電平拉低。判斷是否開啟任務(wù)設(shè)備2，如果開啟，則將任務(wù)2 的I/O 接口電平拉高，如果不開啟，則將任務(wù)2 的I/O 接口電平拉低，通過I/O 接口控制外部連接任務(wù)設(shè)備的開關(guān)，這樣就可以根據(jù)需求實(shí)時開啟任務(wù)設(shè)備，避免了任務(wù)設(shè)備長時間開啟的情況，既增加了靈活性又節(jié)省了能源。讀取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，如果達(dá)到預(yù)定值，則使燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能對電路充電，增加預(yù)定值可以確保充電電路的輸入狀態(tài)穩(wěn)定，防止發(fā)電機(jī)突然變化損壞電路。這樣在飛行過程中對電池充電，可以增加航時。讀取電流電壓值并將其發(fā)送到數(shù)據(jù)鏈，這樣地面端可以實(shí)時監(jiān)測能量轉(zhuǎn)化狀態(tài)。

3 結(jié)語

該文針對巡檢無人機(jī)電子設(shè)備的能量來源，由電池更改為電池和燃油混合，可延長飛行時間，縮短起降時間。該發(fā)明利用硬件電路實(shí)現(xiàn)多路電源按需供給，增強(qiáng)了能量分配的靈活性[6]。通過程序可以控制任務(wù)設(shè)備的供電開關(guān)，并可向外傳輸流過機(jī)載電池的電流值和機(jī)載電池電壓值。能源利用率高，具有較高的實(shí)用價值，在巡檢無人機(jī)領(lǐng)域優(yōu)勢明顯。

圖3 程序處理流程圖