無人機(jī)電池智能維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 星，杜春平，夏騰輝，王 高，鄒茂雨

（1.國家電網(wǎng)湖北省電力有限公司通山縣供電公司，湖北 通山 437600；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院工程綜合訓(xùn)練中心，廣西 桂林 541004；3.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004；4.桂林航天工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

無人機(jī)的價(jià)值在于形成空中平臺(tái)能結(jié)合其他部件擴(kuò)展應(yīng)用，替代人類完成空中作業(yè)[1]。無人機(jī)也越來越普及，如“大疆”系列的無人航拍飛行器及其他企業(yè)的飛行器等[2]。無人機(jī)發(fā)展迅速，但存在一個(gè)很大的缺點(diǎn)，續(xù)航短[3]；無人機(jī)飛行的動(dòng)力來自蓄電池，受限于已有的電池技術(shù)，電池的體積比重相對(duì)比較大，一塊小小的電池比同體積的其他物體重好幾倍。電池不能做得很大，因此，一塊電池能為無人飛機(jī)提供的電能是有限的，在使用時(shí)需備有多塊電池[4]。有經(jīng)驗(yàn)的操控者也會(huì)忘記對(duì)電池的維護(hù)，導(dǎo)致電池在放置一段時(shí)間后性能下降或者出現(xiàn)不能使用的情況。本文的電池智能維護(hù)系統(tǒng)可以幫助用戶、高校實(shí)驗(yàn)室及其他機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室智能維護(hù)電池，降低電池報(bào)廢率和保護(hù)工作環(huán)境等。

1 無人機(jī)電池智能維護(hù)系統(tǒng)整體方案

無人機(jī)電池的智能維護(hù)系統(tǒng)分為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖1 所示。左邊為電池放電區(qū)域和繼電器控制區(qū)域，右邊為電池充電區(qū)、單片機(jī)主控區(qū)、屏幕顯示區(qū)和語音提示區(qū)[5]。電池放電區(qū)包含一個(gè)33 Ω10 W的電阻、散熱片和散熱風(fēng)扇，這個(gè)組成可以讓電池在放電維護(hù)中放電電阻溫度處于一個(gè)正常的范圍。電池充電區(qū)放置了一塊LM2596 模塊和電池充電穩(wěn)壓電路，分別為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的充電電壓和穩(wěn)定電池的單片電壓。單片機(jī)主控區(qū)域放置了一塊STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)，負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供控制信號(hào)和處理傳感器獲取的數(shù)據(jù)。屏幕顯示區(qū)放置了一塊0.96 寸的OLED 屏幕，顯示系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和電池的狀況。語音提示區(qū)域放置了一個(gè)喇叭為系統(tǒng)提供語音提示。

圖1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體

無人機(jī)電池智能維護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。系統(tǒng)整體由電源模塊、主控模塊、顯示模塊、電池電壓測量模塊、溫度檢測模塊、提示模塊、放電散熱模塊和外部控制模塊組成[6]。

圖2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案整體

電源部分是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，主要由恒壓及恒流源模塊、降壓模塊和穩(wěn)壓模塊構(gòu)成，為系統(tǒng)各個(gè)模塊提供電源[7]。單片機(jī)主控為一塊STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)，負(fù)責(zé)為系統(tǒng)提供控制信號(hào)和處理傳感器獲取的數(shù)據(jù)；顯示模塊采用的是一塊0.96 英寸的OLED 的屏幕，可以顯示系統(tǒng)溫度和電池電壓的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息；測量模塊采用單片機(jī)內(nèi)置的ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓數(shù)據(jù)的測量；檢測模塊采用比較常規(guī)的DS18B20 溫度傳感器對(duì)電池溫度、放電溫度和環(huán)境溫度進(jìn)行測量；外部控制模塊由繼電器組成，主要對(duì)電池的充電和放電進(jìn)行控制；提示模塊為JQ8400 語音模塊，主要為系統(tǒng)提供系統(tǒng)溫度異常和電池電壓異常報(bào)警音；放電散熱模塊由功率10 W 的放電電阻、散熱風(fēng)扇和40 mm×40 mm 的散熱片組成，通過散熱片和風(fēng)扇有效地保證了電池放電散熱在一個(gè)正常的溫度范圍[8]。

1.1 電源模塊

電源部分是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，主要由恒壓及恒流源模塊、降壓模塊和穩(wěn)壓模塊構(gòu)成。系統(tǒng)恒壓及恒流源模塊由型號(hào)S-75-24 開關(guān)可調(diào)電源模塊構(gòu)成，輸入為交流220 V，輸出為24 V，實(shí)物圖如圖3（a）所示；LM2596 模塊電路，有很寬的電壓輸入范圍和很寬的輸出電壓范圍，帶負(fù)載能力強(qiáng)，具體電路如圖3（b）所示；LM7805 模塊電路的輸出電壓穩(wěn)定為5 V，輸出電流的最大電流為1.5 A，具體電路如圖3（c）所示。

圖3 電源模塊

1.2 顯示模塊

OLED 顯示模塊具有不需要背光源、對(duì)比度高、厚度薄、反應(yīng)速度快、溫度范圍廣、適用范圍廣以及功耗低等特點(diǎn)，OLED12864 顯示模塊具有以上的所有特點(diǎn)，但也有顏色單一、一行只能顯示8 個(gè)漢字或者16 個(gè)英文或數(shù)字的局限性；模塊的有很多重針腳封裝，常見的有6腳、7 腳SPI 總線的封裝和4 腳的通過I2C 總線的封裝，其中4 腳I2C 總線的模塊1 號(hào)陣腳為公共地端，2 號(hào)引腳為電源端口可以輸入3.3 V 或者5 V 的電壓，3 號(hào)引腳和4 號(hào)引腳為總線引腳，工作溫度范圍為0 ～60 ℃，模塊如圖4（a）所示。

1.3 檢測模塊

系統(tǒng)檢測部分主要為溫度傳感器檢測電池溫度、環(huán)境溫度以及檢測由放電電阻、風(fēng)扇和散熱片組成的散熱系統(tǒng)的溫度。

DS18B20 測溫傳感器是應(yīng)用廣泛的傳感器，其電路結(jié)構(gòu)簡單、硬件成本低、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、可以根據(jù)不同的應(yīng)用場合改變封裝等等，可以檢測-55℃～125 ℃的溫度值，精度為0.0625 ℃，模塊比較簡單，模塊電路圖如圖4（b）所示。

1.4 測量模塊

測量外部電池電壓是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的部分之一，常用的測量外部電壓模擬信號(hào)的傳感器有PCF 8591AD/DA 轉(zhuǎn)換芯片、XPT2046 AD/DA 轉(zhuǎn)換芯片和單片機(jī)芯片集成的AD/DA 等。

單片機(jī)自帶的ADC 數(shù)模轉(zhuǎn)換控制器最大支持輸入的電壓為3.3 V，而實(shí)際要測量的電池總電壓以及電池單片電壓都超過單片機(jī)ADC 控制器的能力，因此需要外部分壓電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓信號(hào)的測量。外部分壓電路很簡單，有兩個(gè)電阻組成，兩個(gè)電阻共同對(duì)輸入的電池電壓進(jìn)行分壓，單片機(jī)IO 口接在其中一個(gè)較小的電阻上，具體電路如圖4（c）所示。

1.5 外部控制模塊

系統(tǒng)的外部控制部分主要由繼電器開關(guān)模塊和充電管理模塊電路構(gòu)成；主控單片機(jī)通過繼電器開關(guān)控制充電管理模塊電路通電還是斷電也意味著是否對(duì)電池進(jìn)行充電，控制著外部電池放電電路以及散熱風(fēng)扇的開啟和關(guān)閉。繼電器的控制電路組成非常簡單，電路如圖4（d）所示。

1.6 提示模塊

提示部分是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用戶交互的重要部分；硬件電路采用蜂鳴器模塊電路，其主要為系統(tǒng)提供系統(tǒng)溫度異常和電池電壓異常報(bào)警音；JQ8400 語音提示模塊主要為用戶提示各個(gè)界面的操作以及功能，增加系統(tǒng)使用的舒適性和增進(jìn)用戶的使用體驗(yàn)。JQ8400 模塊如圖4（e）所示。

圖4 模塊組成

1.7 放電散熱模塊

放電散熱部分是系統(tǒng)電池智能放電維護(hù)的核心，其結(jié)構(gòu)很簡單，主要由功率10 W 的放電電阻、散熱風(fēng)扇和40 mm×40 mm 的散熱片組成，其中功率為10 W 阻值為33 Ω 的電阻在3 s 鋰電池放電的情況下，電阻上的消耗功率在5 W 左右，通過散熱片和風(fēng)扇有效地保證了電池放電散熱在一個(gè)正常的溫度范圍，模塊簡圖如圖4（f）所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)主要包括OLED 顯示設(shè)計(jì)、計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)、電池電壓測量設(shè)計(jì)、溫度測量設(shè)計(jì)、語音播報(bào)設(shè)計(jì)和界面設(shè)計(jì)等等，程序具體運(yùn)行的流程圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3 測試與分析

供電模塊、OLED 顯示模塊、外部控制模塊、放電模塊、充電管理模塊和語音提示模塊共同組成了電池智能維護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)的整個(gè)硬件模塊如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)實(shí)物整體

3.1 實(shí)物測試

系統(tǒng)開機(jī)經(jīng)初始化后進(jìn)入歡迎界面，屏幕會(huì)顯示“歡迎使用無人機(jī)電池智能維護(hù)系統(tǒng)”，同時(shí)會(huì)有語音提示“歡迎使用無人機(jī)電池智能維護(hù)系統(tǒng)”，如圖7（a）所示。歡迎界面過后進(jìn)入系統(tǒng)狀態(tài)判斷界面，主控會(huì)對(duì)采集到的電池電壓和電池溫度進(jìn)行判斷，屏幕顯示電池電壓和電池溫度狀態(tài)是否正常，語音模塊會(huì)對(duì)電池狀態(tài)正常和異常進(jìn)行提示，如圖7（b）所示。在電池各項(xiàng)狀態(tài)正常后，系統(tǒng)進(jìn)入各項(xiàng)維護(hù)參數(shù)設(shè)定界面，語音模塊會(huì)提示可以通過按鍵對(duì)自動(dòng)維護(hù)時(shí)間、放電溫度和放電最低電壓閾值進(jìn)行設(shè)定，屏幕界面如圖7（c）所示。在完成各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)保存設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行保存，之后進(jìn)入電池參數(shù)展示界面，如圖7（d）所示。20 s 后自動(dòng)進(jìn)入電池單片電壓展示界面，如圖7（e）所示。在20 s后進(jìn)入系統(tǒng)各項(xiàng)溫度展示界面，展示環(huán)境溫度、電池溫度和放電溫度，如圖7（f）所示。

最后進(jìn)入功能選擇界面，可以通過按鍵選擇充電維護(hù)還是放電維護(hù)，同時(shí)語音模塊會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的語音提示，如果1 min 內(nèi)沒有操作則自動(dòng)進(jìn)入放電維護(hù)，如圖7（g）所示。如果按鍵一按下則進(jìn)入充電維護(hù)界面，展示電池當(dāng)前電壓、電池充電溫度、環(huán)境溫度和電池每片電壓，如圖7（h）所示。系統(tǒng)進(jìn)入電池充電維護(hù)后，主控通過外部控制繼電器接通了外部電源和電池，電池便開始進(jìn)行充電維護(hù)。待電池電壓達(dá)到滿電電壓后會(huì)經(jīng)過3 次判斷，如果電池電壓還是接近滿電電壓，語音模塊會(huì)提示電池充電維護(hù)完成，系統(tǒng)進(jìn)入充電維護(hù)完成界面，如圖7（i）所示。如果按鍵二按下則進(jìn)入放電維護(hù)界面，顯示電池當(dāng)前電壓、電池放電溫度、散熱電阻溫度和電池每片電壓，如圖7（j）所示。系統(tǒng)進(jìn)入電池放電維護(hù)后，主控通過外部控制繼電器接通了放電電阻和電池，電池便開始進(jìn)行放電維護(hù)，待電池電壓達(dá)到設(shè)定的維護(hù)電壓并經(jīng)過3 次判斷后，如果電池電壓還是接近設(shè)定的維護(hù)電壓，語音模塊會(huì)提示電池充電維護(hù)完成，系統(tǒng)進(jìn)入充電維護(hù)完成界面，如圖7（k）所示。

圖7 實(shí)物測試分布

3.2 測試與分析

在電池電壓的測量上，單片機(jī)測量的電池電壓會(huì)存在一個(gè)浮動(dòng)的電壓值，測量的電壓值與實(shí)際的電壓值會(huì)存在一個(gè)誤差，偏差在0.03 V 左右，如圖8 所示。

圖8 電池總電壓比較圖

由散點(diǎn)圖可以明顯看出測量與實(shí)際之間有一個(gè)明顯的波動(dòng)，如圖9 所示。在經(jīng)過多次電池電壓測量數(shù)據(jù)和單片機(jī)測量電壓取平均值后，可以明顯看到實(shí)際測量的平均值為12.408 5 V，單片機(jī)測量的平均值為12.392 5 V，兩者之間存在0.016 V 的偏差，由誤差取均值可以看出誤差均值為0.031 V。這個(gè)電壓誤差可能跟電阻阻值測量所產(chǎn)生的誤差有關(guān)，此電壓誤差可通過軟件編程進(jìn)一步降低。

圖9 電壓數(shù)據(jù)分析圖

在電池單片電壓的測量過程中，有時(shí)會(huì)因中間電池電壓測量偏小而顯示不準(zhǔn)確，如圖10 所示；中間單片電池電壓偏小是由最后一片電池電壓測量存在較大誤差造成的，在軟件中適當(dāng)?shù)脑龃髮?duì)第三片電池電壓測量的次數(shù)可以降低此誤差。

圖10 電池單片電壓測量

4 結(jié)論

通過結(jié)構(gòu)、軟件和硬件設(shè)計(jì)完成了無人機(jī)電池智能維護(hù)系統(tǒng)實(shí)物設(shè)計(jì)，并通過了相關(guān)指標(biāo)測試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人機(jī)電池電壓及電量、系統(tǒng)溫度、電池溫度、放電散熱溫度的測量以及電池充放電檢測，通過按鍵選擇充電維護(hù)還是放電維護(hù)，同時(shí)語音模塊會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的提示，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)智能維護(hù)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，完成了對(duì)無人機(jī)電池的智能維護(hù)。