0 引言

當(dāng)今， 由于在民用及國防等諸多領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用， 空中機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)越來越被人們所重視， 并吸引了各國專家學(xué)者的注意。小型旋翼機(jī)器人是以模型直升機(jī)為載體， 裝備上傳感器單元， 控制單元和伺服機(jī)構(gòu)等裝置以實(shí)現(xiàn)自主飛行。而為了提高飛機(jī)的安全性， 需要設(shè)計(jì)一套設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)飛機(jī)的姿態(tài)信息， 機(jī)載設(shè)備的狀況以及電源的情況等。

該平臺(tái)所使用的電源是兩節(jié)鋰電池串聯(lián)組成的電池組， 利用鋰離子電池的充放電特性， 設(shè)計(jì)了一套以mega16l 為核心的充放電管理系統(tǒng)。鋰電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)， 與鎳鎘電池、鎳氫電池不太一樣的是必須考慮充電、放電時(shí)的安全性，以防止特性劣化。因此在系統(tǒng)運(yùn)行過程中， 為了保護(hù)鋰電池的安全， 設(shè)計(jì)了一套欠壓保護(hù)電路， 以防止電源管理系統(tǒng)因過用而發(fā)生電池特性和耐久性特性劣化。

1 電源管理系統(tǒng)總體框架

無人機(jī)電源管理系統(tǒng)是飛機(jī)實(shí)現(xiàn)自主飛行的重要組成部分， 其大致框架如圖1 所示。在該系統(tǒng)中， 利用AXI 公司生產(chǎn)的2212/ 34 型號(hào)發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為220V 交流電， 再經(jīng)過整流穩(wěn)壓后輸出11.6V 的直流電壓， 可由該輸出電壓為兩節(jié)鋰電池充電。電源管理系統(tǒng)的控制器是meg a161 單片機(jī)， 該控制器通過檢測(cè)兩節(jié)鋰電池的電壓大小從而控制繼電器開關(guān)來對(duì)電池進(jìn)行充放電管理。

圖1 電源管理系統(tǒng)框架

控制器采集到電源系統(tǒng)中的信息后， 通過無線傳輸設(shè)備將該數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給地面。地面監(jiān)控平臺(tái)還可以發(fā)送一些指令給mega16l, 通過控制繼電器開關(guān)來控制電池充放電， 從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制飛機(jī)的目的。

機(jī)上電源模塊由兩節(jié)英特曼電池有限公司生產(chǎn)的鋰電池組成， 電池組電量充足時(shí)電壓為8?? 4V.電池的荷電量與整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān)， 電池剩余電量越多， 系統(tǒng)的可靠性越高， 因此飛行時(shí)能實(shí)時(shí)獲得電池的剩余電量， 這將大大提高飛機(jī)的可靠性。

2 電源監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

直升機(jī)能順利完成飛行任務(wù)， 充足的電源供應(yīng)不可或缺。

由鋰電池的特性可知， 在過度放電的情況下， 電解液因分解而導(dǎo)致電池特性劣化并造成充電次數(shù)降低。因此為了保護(hù)電池的安全， 電源系統(tǒng)在給控制系統(tǒng)供電前要經(jīng)過欠壓保護(hù)模塊和穩(wěn)壓模塊。為了預(yù)測(cè)電源系統(tǒng)中剩余的電量， 這里采用檢測(cè)電源系統(tǒng)電壓的方法， 在測(cè)得系統(tǒng)的電源電壓后， 查找由放電曲線建立的數(shù)據(jù)庫， 就能估計(jì)出電源系統(tǒng)中所剩余的電量。

單片機(jī)所需要的電源電壓是2. 7 ~ 5.5V, 因此可為meg a16l 設(shè)計(jì)外部基準(zhǔn)電壓為2.5V, 該基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路如圖2所示。所以系統(tǒng)要檢測(cè)電池的電壓， 需要將電池用電阻進(jìn)行分壓且最大分得的電壓值不能超過2.5V.控制器測(cè)得的電壓值乘上電壓分壓縮小的倍數(shù)后， 就能得到電源系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)電壓。時(shí)刻監(jiān)測(cè)鋰電池的用電情況， 防止電池過用現(xiàn)象出現(xiàn)， 就能達(dá)到有效使用電池容量和延長壽命的目的。

圖2 基準(zhǔn)電壓電路

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 直流無刷電機(jī)電路

無刷直流電機(jī)是由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成， 是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。直流無刷電機(jī)與一般直流電機(jī)具有相同的工作原理和應(yīng)用特性， 而其組成是不一樣的， 除了電機(jī)本身外， 前者還多一個(gè)換向電路， 直流無刷電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本身是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換部分， 它除了電機(jī)電樞、永磁勵(lì)磁兩部分外， 還帶有傳感器。該發(fā)電機(jī)的部分AC-DC 電路如圖3 所示。

圖3 無刷電機(jī)AC-DC 電路

2.1.2 充電電路

鋰離子電池的充電特性和鎳鎘、鎳氫電池的充電特性有所不同， 鋰離子電池在充電時(shí)， 電池電壓緩慢上升， 充電電流逐漸減小， 當(dāng)電壓達(dá)到4.2V 左右時(shí)， 電壓基本不變， 充電電流繼續(xù)減小。因此對(duì)于改型充電器可先用先恒流后恒壓充電方式進(jìn)行充電， 具體充電電路如圖4 所示。該電路選用LM2575ADJ 組成斬波式開關(guān)穩(wěn)壓器， 最大充電電流為1A.

圖4 高效開關(guān)型恒流/ 恒壓充電器部分電路

該電路工作原理如下： 當(dāng)電池接入充電器后， 該電路輸出恒定電流， 對(duì)電池充電。該充電器的恒流控制部分由雙運(yùn)放LM358 的一半、增益設(shè)定電阻R3 和R4 、電流取樣電阻R5 和1. 23V 反饋基準(zhǔn)電壓源組成。剛接入電池后， 運(yùn)放LM358 輸出低電平， 開關(guān)穩(wěn)壓器LM2575-ADJ 輸出電壓高， 電池開始充電。當(dāng)充電電流上升到1A 時(shí)， 取樣電阻R5 （50m 歐） 兩端壓降達(dá)到50mV, 該電壓經(jīng)過增益為25 的運(yùn)放放大后， 輸出1.23V 電壓， 該電壓加到LM2575 的反饋端， 穩(wěn)定反饋電路。

當(dāng)電池電壓達(dá)到8.4V 后， LM3420 開始控制LM2575ADJ 的反饋腳。LM3420 使充電器轉(zhuǎn)入到恒壓充電過程， 電池兩端電壓穩(wěn)定在8?? 4V.R6 、R7 和C3 組成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)， 保證充電器在恒流/ 恒壓狀態(tài)下穩(wěn)定工作。若輸入電源電壓中斷， 二極管D2 和運(yùn)放LM358 中的PNP 輸入級(jí)反向偏置， 從而使電池和充電電路隔離， 保證電池不會(huì)通過充電電路放電。當(dāng)充電轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)時(shí)， 二極管D3 反向偏置， 因此運(yùn)放中不會(huì)產(chǎn)生灌電流。

2.1.3 電源欠壓保護(hù)

電源欠壓保護(hù)由鋰電池的電池放電特性易知， 當(dāng)電池處于3.5V 時(shí)， 此時(shí)電池電量即將用完， 應(yīng)及時(shí)給電池充電， 否則電池電壓將急劇下降直至電池?fù)p壞。于是設(shè)計(jì)了一套欠壓保護(hù)電路如圖5 所示， 利用電阻分壓所得和由TL431 設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓比較， 將比較結(jié)果送人LM324 放大電路進(jìn)而觸發(fā)由三極管構(gòu)成的開關(guān)系統(tǒng)， 從而控制負(fù)載回路的通阻。試驗(yàn)證明， 當(dāng)系統(tǒng)電壓達(dá)到臨界危險(xiǎn)電壓7V 時(shí)， 系統(tǒng)的輸出電流僅為4mA, 從而防止了系統(tǒng)鋰電池過度放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖5 欠壓保護(hù)電路

由于鋰離子電池能量密度高， 因此難以確保電池的安全性。在過度充電狀態(tài)下， 電池溫度上升后能量將過剩， 于是電解液分解而產(chǎn)生氣體， 因內(nèi)壓上升而發(fā)生自燃或破裂的危險(xiǎn)；反之， 在過度放電狀態(tài)下， 電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化， 從而降低可充電次數(shù)。該充電電路和本管理系統(tǒng)能有效的防治鋰電池的過充和過用， 從而確保了電池的安全， 提高鋰電池的使用壽命。

2. 2 軟件設(shè)計(jì)

電源管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是meg a16l 通過其8 路10位ADC 端口來檢測(cè)電池的電壓狀態(tài)， 根據(jù)不同的情況采取相應(yīng)措施。一旦出現(xiàn)有電池低于7.0V 的情況， 單片機(jī)就將該電池切換到充電狀態(tài)并保證至少有一組電池為負(fù)載供電， 且電池1 優(yōu)先級(jí)別高于電池2.主要程序流程圖如圖6 所示， 程序處于一個(gè)無限循環(huán)， 單片機(jī)時(shí)刻監(jiān)測(cè)兩組電池的電壓的狀態(tài)并記憶當(dāng)前的充電狀態(tài)， 一旦放電的電池達(dá)到7V 以下， 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器開關(guān)將充電回路切換到該電池并將另一組電池切換為負(fù)載回路的電源。

圖6 AVR 主程序流程圖

程序在運(yùn)行的過程當(dāng)中， 每隔1 秒定時(shí)器1 產(chǎn)生一次中斷， 通過串口接收監(jiān)控平臺(tái)發(fā)來的指令信息并將飛機(jī)的兩組電源的實(shí)時(shí)電壓狀況、繼電器的狀態(tài)等信息通過無線射頻模塊發(fā)送給地面站以便地面能實(shí)時(shí)了解到飛機(jī)的供電情況。

2. 3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

2. 3.1 無線射頻模塊

電源管理系統(tǒng)的上位機(jī)硬件方面主要由無線射頻模塊、電平轉(zhuǎn)換電路及PC 電腦組成， 大致框圖如圖1 所示。因射頻模塊將接收出來的數(shù)據(jù)是TTL 電平， 再通過max 232 電平轉(zhuǎn)換將其變?yōu)镽S232 電平傳送給電腦， 從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)和地面的通信。

該系統(tǒng)之所以能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)飛機(jī)， 主要依靠無線射頻模塊的遠(yuǎn)距離和高準(zhǔn)確度等特性。其主要特點(diǎn)如下所示： （ 1）長距離特性： 室內(nèi)/ 城市距離高達(dá)450 米； 室外可視范圍： 帶2.1dB 偶極天線高達(dá)11 公里， 帶高增益天線可達(dá)32 公里； 接收器靈敏度為- 110dBm.（ 2） 高級(jí)網(wǎng)絡(luò)和安全： 7 個(gè)跳頻信道， 每個(gè)信道可獲得65k 地址， 恢復(fù)和確認(rèn)機(jī)制以保證可靠分組傳輸； 支持對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（ 沒有主/ 從依賴關(guān)系） , 支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多和多點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

由此可知， XT end OEM 無線射頻模塊在低成本無線數(shù)據(jù)通訊解決方案中提供了最遠(yuǎn)的距離。該模塊易于使用， 耗電低， 對(duì)設(shè)備間重要數(shù)據(jù)包提供了可靠的數(shù)據(jù)傳送， 體積緊湊節(jié)省寶貴的電路板空間。圖7 表示的是由XTend OEM 無線射頻模塊構(gòu)成的主機(jī)間無線連接的系統(tǒng)框圖。

圖7 主機(jī)間無線連接的系統(tǒng)框圖

2.3.2 地面監(jiān)控平臺(tái)

監(jiān)控平臺(tái)是整個(gè)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分， 監(jiān)控平臺(tái)與控制程序之間要求具有雙工通信的。一方面， 飛機(jī)平臺(tái)上控制器將飛機(jī)的實(shí)時(shí)信息利用數(shù)傳發(fā)到地面， 另一方面， 地面站將指令發(fā)給飛機(jī)以完成所需要的任務(wù)。

地面軟件基于Microso ft 的VC+ + 6. 0 平臺(tái)借助其提供的MFC 類庫進(jìn)行開發(fā)。具體的軟件開發(fā)過程， 采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法， 使用C+ + 語言實(shí)現(xiàn)。每種功能模塊， 對(duì)應(yīng)一個(gè)類。這樣， 使得最終的軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上清晰合理， 易于維護(hù)升級(jí)。該程序利用MFC 技術(shù)結(jié)合M SComm 控件， 使用C+ + 編寫。程序功能包括： 手動(dòng)設(shè)置串口參數(shù)， 串行接收數(shù)據(jù)和發(fā)送指令， 顯示接收數(shù)據(jù)信息和保存接收數(shù)據(jù)等功能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

控制器在得到電源電壓、繼電器狀態(tài)、充放電情況等信息后， 將這些信息傳給地面并保存到PC 機(jī)上面。圖8 所示就是飛機(jī)在飛行時(shí)采集到的數(shù)據(jù)。

圖8 電池1 充放電數(shù)據(jù)。

從圖中可知， 首先電池1 作為負(fù)載給系統(tǒng)供電， 經(jīng)過一段時(shí)間使用后由7.5V 降到7.0V, 此時(shí)單片機(jī)在檢測(cè)到該電池電量不足后驅(qū)動(dòng)繼電器， 并將該電池切換到充電回路。經(jīng)過10 分鐘充電后， 因電池2 的電壓也小于7V 單片機(jī)再次將系統(tǒng)的電源切換到電池1, 如此反復(fù)直至完成任務(wù)。由此可知該系統(tǒng)能將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能并有效的管理系統(tǒng)的用電循環(huán)， 提高了系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間， 從而提高整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套UAV 電源管理系統(tǒng)， 該系統(tǒng)具有自動(dòng)控制充放電管理， 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓等功能。該系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過調(diào)試和試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性， 但是為了保證飛機(jī)安全， 還要做更多的試驗(yàn)以保證無人機(jī)自主飛行的安全和穩(wěn)定。除此之外， 高低頻濾波， 電池電量預(yù)測(cè)等也是重要的方向， 需要深入的研究?，F(xiàn)今， 鋰電池的使用范圍越來越廣， 其價(jià)格也相對(duì)適中，如果掌握先進(jìn)的科學(xué)的使用方法， 讓鋰電池發(fā)揮應(yīng)有的最大效用， 將會(huì)節(jié)省大量的資源和財(cái)富。