一種虛擬電池的無(wú)人機(jī)長(zhǎng)續(xù)航照明系統(tǒng)的研究

鄭玉浩，于學(xué)超，梁 剛，張 佳，柳巖妮

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司輸電運(yùn)檢中心，山東 濰坊 261000）

架空輸電專業(yè)因搶修、驗(yàn)收送電、故障巡視等工作通常須要在夜間進(jìn)行。輸電作業(yè)的主要特點(diǎn)是高空作業(yè)、作業(yè)面積大、人員移動(dòng)頻繁[1]。傳統(tǒng)的地面探照燈，從地面往高空照射被鐵塔遮擋嚴(yán)重，或因距離太遠(yuǎn)光線不足，缺乏靈活性且照明續(xù)航能力差[2]。因此，需要一種探照燈，可以從高空自上而下照射且為塔上作業(yè)人員提供不間斷的照明。

文獻(xiàn)[3]提出一種晚間帶霓虹燈廣告的氫氣球，利用氫氣球?qū)⒛藓鐭襞c電線升到空中，從而達(dá)到不同顏色的燈光在空中長(zhǎng)時(shí)間顯示效果，但是該方式照明重量有限，不具備一定重量荷載能力。文獻(xiàn)[4]利用大型無(wú)人機(jī)將網(wǎng)絡(luò)基站懸停在空中，從而實(shí)現(xiàn)災(zāi)害通信應(yīng)急，但無(wú)人機(jī)要承受線纜、配件等供電系統(tǒng)重量，荷載能力仍有局限性。文獻(xiàn)[5]提出基于多旋翼無(wú)人機(jī)的系留照明系統(tǒng)，采用高壓供電方式可減小輸送電流，從而減少電源損耗，該方法通過(guò)高壓輸電思路減輕線纜重量，但減少高空無(wú)人機(jī)荷載重量不明顯。

為了解決無(wú)人機(jī)飛行荷載問(wèn)題，在借鑒線纜高壓供電方式的基礎(chǔ)上提出長(zhǎng)續(xù)航無(wú)人機(jī)照明虛擬電池技術(shù)，該裝置省去了無(wú)人機(jī)自身電池重量，大大提高無(wú)人機(jī)荷載水平，對(duì)輕小型無(wú)人機(jī)、荷載重量大的系留裝置具備很好的應(yīng)用效果。

1 總體設(shè)計(jì)

長(zhǎng)續(xù)航無(wú)人機(jī)照明裝置由COB 照明燈組、多旋翼無(wú)人機(jī)、機(jī)載電源、虛擬電池模塊、熒光光電復(fù)合纜和地面供電基站組成。

多旋翼無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)續(xù)航照明系統(tǒng)連接整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 多旋翼無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)續(xù)航照明系統(tǒng)

電源端為地面供電基站：為飛行和照明提供兩路不同的電壓，實(shí)現(xiàn)線纜自動(dòng)收放功能[6]。線纜部分采用的是熒光光電復(fù)合纜，它由1 根通信光纖和2根正負(fù)極導(dǎo)線構(gòu)成，外層由凱夫拉耐磨材料包裹，表面涂熒光粉，可夜間發(fā)光可見(jiàn)。高空探照燈由COB 燈珠串并聯(lián)組成，照明燈組通過(guò)卡扣安裝在無(wú)人機(jī)機(jī)臂上，照射角度可以自由遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 地面供電基站

照明系統(tǒng)的地面基站由應(yīng)急發(fā)電機(jī)、直流開(kāi)關(guān)電源以及熒光復(fù)合線纜收放盤組成。直流開(kāi)關(guān)電源與應(yīng)急發(fā)電機(jī)連接，熒光復(fù)合線纜收放盤與直流開(kāi)關(guān)電源連接，高空無(wú)人機(jī)及大功率COB 探照燈通過(guò)機(jī)載電源與熒光復(fù)合線纜連接。

直流開(kāi)關(guān)電源將應(yīng)急發(fā)電機(jī)的交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷麟?，通過(guò)熒光光電復(fù)合線纜將電能輸送至COB 探照燈上，能實(shí)現(xiàn)大功率照射效果，地面供電基站采用DSP 數(shù)字控制技術(shù)，交流輸入支持85～300 V，首先經(jīng)過(guò)輸入濾波電路，再通過(guò)整流電路變換為直流，經(jīng)過(guò)輸入緩沖電路進(jìn)入功率逆變電路?；揪邆溥^(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、欠壓保護(hù)和過(guò)載保護(hù)，當(dāng)交流輸入超出或低于額定輸入范圍時(shí)或輸入缺相時(shí)，則會(huì)關(guān)斷功率逆變電路進(jìn)行保護(hù)。

開(kāi)關(guān)電源選擇全橋整流電路導(dǎo)通電流為10 A，地面供電電源兼容不同UPS 電源，包括應(yīng)急發(fā)電機(jī)、市電和車載電源，轉(zhuǎn)換為高壓直流供機(jī)載電源使用，具體外觀和參數(shù)如圖2、圖3 和表1 所示。

表1 ZT3K500-S420V10A 全橋整流參數(shù)

圖2 尺寸設(shè)計(jì)圖

圖3 實(shí)物完整圖

主控制電路通過(guò)采集輸入電壓、電流信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)IGBT 開(kāi)關(guān)管工作狀態(tài)，輸出穩(wěn)壓直流；接收保護(hù)信號(hào)、電壓和電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整流電源的保護(hù)整定，輸出采集的電壓、電流數(shù)值提供給面板雙顯電能表進(jìn)行顯示。

熒光光電復(fù)合線纜由1 根光纖和2 根正負(fù)極構(gòu)成，外層由凱夫拉耐磨材料加上熒光材料，具有重量輕、載流量大、夜間發(fā)光可視特點(diǎn)。正負(fù)極導(dǎo)線為飛行及照明提供電源，光纖為傳輸平臺(tái)電子設(shè)備的光電信號(hào)提供通路，通過(guò)熒光光電復(fù)合線纜保障飛行平臺(tái)和照明與地面設(shè)備之間電子信號(hào)的連接，可節(jié)省出平臺(tái)功率損耗，增加無(wú)人機(jī)升力。整體設(shè)計(jì)如圖4 和圖5 所示。

圖4 自動(dòng)收線盤

圖5 地面供電基站

2.2 高空探照燈

由于無(wú)人機(jī)自身尺寸、載重及續(xù)航的原因，不能搭載笨重的大功率燈具。然而，傳統(tǒng)的無(wú)人照明燈具，采用LED 驅(qū)動(dòng)模組和LED 發(fā)光板的方案，加上驅(qū)動(dòng)和LED 光源散熱，一般重量在10 g/W 左右，小型無(wú)人機(jī)根本無(wú)法搭載，須要載重大的機(jī)型，才能把傳統(tǒng)大功率燈具帶上高空[7]。根據(jù)DL/T 5390-2007《發(fā)電廠和變電站照明設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中要求探照燈照度大于700 lx[8]。對(duì)待選燈珠進(jìn)行選擇，由于燈珠須要應(yīng)用在野外壞境，且持續(xù)工作時(shí)間較長(zhǎng)，所以小組成員選擇了特種COB 燈珠，使用電壓130～180 V，使用電流300 mA，每個(gè)燈珠照度600 lx。為了保證探照燈在額定功率下輸入電流最小，將燈珠進(jìn)行先串后并方式進(jìn)行組裝。組裝平面設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 COB 串并聯(lián)設(shè)計(jì)圖

燈珠組裝之后，探照燈端電壓可以達(dá)到300～360 V，COB 探照燈達(dá)到400 W。

2.3 高空虛擬電池

高空虛擬電池實(shí)質(zhì)是代替原廠無(wú)人電池，由機(jī)載磚塊開(kāi)關(guān)、無(wú)人機(jī)電池管理芯片及若干等值電阻構(gòu)成。等值電阻模擬原廠電池電芯虛擬電池串并聯(lián)方式，輸出端和無(wú)人機(jī)電池管理芯片平衡線相連，無(wú)人機(jī)電池管理芯片是虛擬電池和無(wú)人機(jī)兼容的關(guān)鍵，無(wú)人機(jī)從虛擬電池的管理芯片上讀取狀態(tài)電壓和電流參數(shù)，磚塊開(kāi)關(guān)接收地面電源進(jìn)行整流降壓并在虛擬電阻上產(chǎn)生和原廠電池相同電壓。保證輸出的為無(wú)人機(jī)額定電壓，虛擬電池結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 虛擬電池結(jié)構(gòu)

機(jī)載磚塊開(kāi)關(guān)基于絕緣柵雙極晶體管（IGBT），選擇輕型鋁板進(jìn)行焊接和雕洗加工，焊接選擇激光焊接機(jī)，誤差在2 mm 范圍內(nèi)；降壓直流單相300 V電壓經(jīng)過(guò)降壓后的直流電壓最大值是25.8 V， IGBT額定電壓取輸入電壓的3 倍。開(kāi)關(guān)輸出電壓等效電路圖如圖8 所示。

圖8 磚塊開(kāi)關(guān)等效電路

輸出電壓可根據(jù)無(wú)人機(jī)不同環(huán)境進(jìn)行微調(diào)，可使輸出電壓在±20%范圍內(nèi)增大或減小，根據(jù)不同微調(diào)結(jié)果，模塊最大運(yùn)行功率也相應(yīng)發(fā)生改變。上調(diào)電阻公式如下：

式中：R上調(diào)為上調(diào)電阻；V標(biāo)準(zhǔn)為開(kāi)關(guān)輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓；x為上調(diào)電壓百分比；R下調(diào)為下調(diào)電阻。

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)電壓為24 V 時(shí)，輸出電壓須要上調(diào)20%時(shí)，上調(diào)電阻約為110 Ω；輸出電壓須要下調(diào)10%時(shí)，下調(diào)電阻為8 Ω。

輸入功率為600 W，直流電路的輸入電流過(guò)IGBT 開(kāi)關(guān)管的電流為2.1 A，考慮到電流的波動(dòng)，電流的最大峰值為3 A。在選擇開(kāi)關(guān)管時(shí)須要考慮到無(wú)人機(jī)抗風(fēng)和冗余重量因素，因此選擇大于1300 W開(kāi)關(guān)電源，經(jīng)過(guò)尺寸、重量和容量多方面的考慮，選擇型號(hào)為DAF1500-540S 全磚DC-DC 直流電源模塊，重量?jī)H為262.1 g。

3 試驗(yàn)

3.1 基站測(cè)試

基站由自動(dòng)收線盤、步進(jìn)電機(jī)、PWM 控制器及適配的控制單元等零部件組裝，自動(dòng)收線盤由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器采用兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以達(dá)到電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加減速及停機(jī)等效果。

放線盤的控制單元主控芯片使用C 語(yǔ)言編寫電機(jī)控制器程序，并寫入復(fù)雜邏輯可編程器件。

將控制器與電機(jī)連接，電路部分基本完成。進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)過(guò)程，記錄驅(qū)動(dòng)曲線、轉(zhuǎn)換過(guò)程中IGBT 開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)是否正確、電能傳遞效率，如表2 所示。

表2 開(kāi)關(guān)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)正確率、電能傳遞效率統(tǒng)計(jì)表 %

開(kāi)關(guān)狀態(tài)正確控制100%，電能傳遞效率98%，測(cè)試合格。

3.2 照明燈源測(cè)試

燈數(shù)選擇2 組；每組由4 個(gè)50 W COB 燈芯封裝，并用銅線連接散熱以延長(zhǎng)使用壽命；每組可分別掛在無(wú)人機(jī)機(jī)臂上。對(duì)8 個(gè)燈珠通電測(cè)試，通電電壓300 V，使用光照測(cè)試儀進(jìn)行10 組照度測(cè)試，如表3 所示。

表3 照度測(cè)試照度值匯總表 lx

由表3 可知，燈珠照度值均在700 lx 以上。照明總功率達(dá)400 W，光通量不低于30000 lm，聚焦射角，照明范圍可達(dá)3500～5000 m2。

3.3 高空虛擬電池測(cè)試

將虛擬電池組裝成盒，一端連接供電線纜，一端連接無(wú)人機(jī)電池端子，輸入電壓為300 V，輸入電壓設(shè)置為25.8 V，通電后通過(guò)無(wú)人機(jī)遙控器顯示器觀察電池電量分布，并對(duì)電池模塊整流進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量10 次電池輸出和輸入功率轉(zhuǎn)換效率，曲線如圖9 所示。

圖9 全橋整流單元轉(zhuǎn)換效率曲線

可見(jiàn)，全橋整流單元轉(zhuǎn)換效率為99.46%，運(yùn)行過(guò)程器件發(fā)熱溫度恒定在41～43 ℃，滿足無(wú)人機(jī)供電質(zhì)量要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)研究的基于多旋翼無(wú)人機(jī)的長(zhǎng)續(xù)航照明系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)的應(yīng)急照明方式，省掉了無(wú)人機(jī)自身電池重量，使得空中無(wú)人機(jī)荷載能力更加靈活，空中自由照明 ，而且通過(guò)線纜從地面取電，實(shí)現(xiàn)了24 h 不間斷供電的目的。

地面的直流開(kāi)關(guān)電源支持多種型式電源接入，且轉(zhuǎn)換效率達(dá)到99%，采用高壓供電方式減小輸送電流，從而減少電源損耗和線纜面積，減輕了傳輸線纜的重量。由機(jī)載磚塊開(kāi)關(guān)、無(wú)人機(jī)電池管理芯片及若干等值電阻構(gòu)成虛擬電池，可以產(chǎn)生與原廠電池相同的電壓分布和總電壓，且保持不間斷供電，節(jié)省了高空無(wú)人機(jī)電池重量、提高了高空照明荷載裕度。照明燈采用高亮COB 燈珠串并聯(lián)方式，實(shí)現(xiàn)了照明400 W，照度700 lx，照明范圍可達(dá)3500～5000 m2的。該系統(tǒng)具備高空100 m，續(xù)航24 h 照明需求，完全滿足輸電夜間長(zhǎng)續(xù)航大功率照明需求，減低了高空檢修作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，工作效率顯著提高，保障了工程進(jìn)度，從而達(dá)到快速送電的目的。