太陽能旋翼無人機自主充電樁的設計

彭柴揚

摘 要：旋翼無人機因續(xù)航里程短，導致其在各領域的應用受限。為提高無人機的續(xù)航能力，該文設計了一種由太陽能發(fā)電系統(tǒng)、無線自適應充電系統(tǒng)組成的自主充電樁。充電樁將太陽能轉換成電能，并能引導無人機自主降落后完成充電，擴展了無人機的飛行范圍及飛行時間。

關鍵詞：自主充電樁 ?旋翼無人機 ?太陽能 ?無線自適應充電系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0048-02

旋翼無人機近年來在測繪、巡線、攝影、軍事等領域得到了廣泛應用，其相關產(chǎn)業(yè)也迅猛發(fā)展。但現(xiàn)有的無人機由于續(xù)航能力弱、巡航半徑小，使得其并沒有快速向軍事領域及大規(guī)模民用方向發(fā)展。

為提高旋翼無人機的續(xù)航能力，目前提出的解決方案大多是增加電池容量，或者采用輕質(zhì)材料制作飛行器機身以減小負載，或是提高電機效率等。專利號為CN202929383U的“無人機及其自動充電系統(tǒng)”公開了一種無人機自動充電系統(tǒng)[1]，包括：供電模塊;無人機充電模塊;時間控制模塊，用于控制所述無人機定時起飛和回航，該專利可以實現(xiàn)無人機定時起飛巡航，定時返航充電，但其無人機飛行范圍受到時間的限制，巡航半徑的增加有限;麻省理工學院的學生發(fā)明了一種自主充電無人原型機系統(tǒng)[2]，這種機型可降落在輸電線路上實現(xiàn)自我充電。專利號為CN103872795A提出了類似的“用于無人飛機的充電系統(tǒng)”[3]，這是一種基于交流輸電架空線的自動無人機充電系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機全自主、安全的充電方式，提升了無人飛機續(xù)航里程;但其實現(xiàn)技術較為復雜，對輸電線路存在一定的安全隱患。

為此，該文提出了一種基于太陽能的無人機自主充電技術，設計了一種旋翼無人機自主充電樁。自主充電樁以太陽能為自身的儲備能源，對身份驗證通過的無人機進行自動充電，充滿后自動斷電，無人機可從充電樁起飛繼續(xù)飛行。

1 系統(tǒng)設計

旋翼無人機自主充電樁利用太陽能技術、無線充電技術，實現(xiàn)了無人機自動續(xù)航能力的提升，擴大了無人機應用范圍。自主充電樁主要由太陽能發(fā)電系統(tǒng)、無線自適應充電系統(tǒng)及支架系統(tǒng)所組成。其中太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能發(fā)電板、蓄電池組成。無線自適應充電系統(tǒng)由降落引導模塊、通訊識別裝置及無線充電板組成。自主充電樁結構如圖1所示。

無線充電板1通過一號支架固定于支撐桿頂端;太陽能發(fā)電板3通過二號支架固定于支撐桿上，太陽能發(fā)電板的頂端低于無線充電板所在的平面;蓄電池2也固定在支撐桿上，存儲太陽能發(fā)電板的電能，并通過通訊識別裝置4連接到無線充電板。

通訊識別裝置的作用是對無人機身份進行自動識別，當識別成功，即允許無人機在此充電樁充電后，啟動降落引導系統(tǒng)，引導無人機自動降落在無線充電板上。降落引導系統(tǒng)主要安裝在無人機上，包括必要的硬件裝置和軟件系統(tǒng)，而充電樁部分的降落引導系統(tǒng)只是起輔助降落作用，其模塊內(nèi)嵌在無線充電板中。

1.1 太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設計

太陽能發(fā)電系統(tǒng)屬于離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，主要包括太陽能電池板，DC-DC轉換器，儲能裝置和負載組成[4]。太陽能電池板負責將光能轉換成電能，是能量轉換器件;DC-DC轉換器是將直流電轉換成直流電，是轉變輸入電壓為有效輸出固定電壓的電壓轉換器，進行相關設計后，可以保證DC-DC轉換器的最大功率跟蹤;儲能裝置是貯存太陽能電池方陣受光照后產(chǎn)生的電能并可隨時向負載供電;負載則是對蓄電池中的能量進行消耗的設備。太陽能發(fā)電系統(tǒng)結構如圖2所示。

由太陽能電池板產(chǎn)生的電能會存儲在蓄電池中，通過蓄電池與無線充電板連接適配，建立一塊充電區(qū)域，當負載需要充電時，把負載放在指定的無線充電區(qū)域中，就可以實現(xiàn)無線充電。由于此供電系統(tǒng)主要采用太陽能為能源，擺脫了對電網(wǎng)的依賴，這對解決無人機的續(xù)航問題提供了廣闊的前景。

因為無人機是近年來新興產(chǎn)品，電池電壓等規(guī)格還沒有統(tǒng)一規(guī)定，目前市面上主流的電壓級別有11.1 V（某些航拍器、無人機等）、22.2 V（大疆多軸飛行器等），電池容量多為5000～16000 mAh之間。選用蓄電池時必須要考慮無人機電池容量的問題，所以可以選用的太陽能專用蓄電池型號有65AH、80AH、100AH、150AH、200AH等[5]?？紤]到可能出現(xiàn)天氣等原因對太陽能電池板發(fā)電的影響，所以建議選用12 V 100AH的蓄電池保證無人機的續(xù)航。經(jīng)計算分析，該型號的蓄電池可以對目前較大電池容量（22.2 V、16000 mAh）的飛行器進行3～4次完全充電，而對一般22.2 V、7000 mAh的無人機則可以進行7～8次完全充電，基本可以滿足要求[6]。同時，通過選用100 W的太陽能電池板對蓄電池進行能量補充，正常天氣情況下，太陽能板2天半即可對蓄電池進行完全充滿電。通過太陽能板、蓄電池、飛行器電池之間的合理搭配，可以進行能量的最優(yōu)配置與利用。

1.2 無線自適應充電系統(tǒng)的設計

無線自適應充電系統(tǒng)由降落引導模塊、通訊識別裝置及無線充電板3個部分組成。當無人機通過GPS定位在自主充電樁附近，需要降落在無線充電板上充電時，其充電步驟如下所述。

（1）無人機向無線自適應充電系統(tǒng)發(fā)出請求充電申請;

（2）通訊識別裝置收到充電請求后，立刻啟動身份驗證程序。識別裝置發(fā)送一個隨機數(shù)給無人機，同時通過鑒權程序計算出這一隨機數(shù)所產(chǎn)生的結果值A1;

（3）無人機收到這一隨機數(shù)后，也通過自身的鑒權程序得到一結果值A2，并把A2發(fā)送給通訊識別模塊;

（4）通訊識別模塊比較A1與A2，如二者不相等，不啟動充電過程。如二者相等，首先啟動輔助降落引導程序，使得無人機降落在無線充電板上，然后啟動無線充電程序給無人機充電;

（5）充電完畢，無人機飛離充電板，系統(tǒng)進入等待狀態(tài)，當收到新的無人機充電申請，再次執(zhí)行上述步驟。

整個充電過程的流程如圖3所示。

因為無線充電板的表面通常是光滑的，在有風等天氣下，無法對正在充電的旋翼無人機起到固定作用，容易使無人機產(chǎn)生水平及豎直移動，甚至從充電板上滑落，造成電能的損耗。

因此，在充電板上設計有凸起，4個凸起為一組，構成1個正方形，凸起布滿充電板，構成多個正方形。凸起采用三棱錐形狀。另外，在充電板四周安裝電動推桿，當旋翼無人機降落后，電動推桿伸出，用于固定無人機緩沖架。當充電完畢，電動推桿自動縮回，無人機可以正常起飛。與之相配套，旋翼無人機的緩沖架底部也應有小的凸起，能直接插入充電板三棱錐凸起之間的縫隙內(nèi)。無線充電板結構如圖4所示。

2 結語

太陽能旋翼自主充電樁以太陽能為能源，不受電網(wǎng)的限制，可以安裝在任何需要的地方。完全自動充電的設計方式，可以做到無人值守，充電過程完全自主完成。自主充電樁擴大了旋翼無人機的工作范圍，拓寬了無人機的應用領域，為無人機的廣泛應用提供了良好基礎。

參考文獻

[1] 張顯志.無人機及其自動充電系統(tǒng)[P].中國專利：CN202929383U，2013-05-08.

[2] 電纜網(wǎng).美國麻省理工研發(fā)無人機自主充電系統(tǒng)[EB/OL].http：//news.cableabc.com/world/20140529019234.html，2014-05-29.

[3] 王洋，李大鵬，蔣棟，等.用于無人飛機的充電系統(tǒng)[P].中國專利：CN103872795A，2014-06-18.

[4] 鮑仁強.一種新型太陽能充電站設計[J].通信電源技術， 2012，29（6）：55-57.

[5] 朱吉然，冷華，唐海國.配電自動化終端后備電源選型探討[J].供用電，2014（5）：64-69.

[6] 李勇.無人飛行器在特高壓交流輸電線路巡視中的應用模式研究[D].北京：華北電力大學，2014.