四軸飛行器無(wú)線供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王亞川 楊艷 韓亮 盛東偉

摘 要：設(shè)計(jì)了一種四軸飛行器無(wú)線供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，使線圈進(jìn)行能量耦合，從而實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。該系統(tǒng)不但為飛行器飛行中途充電，增加飛行器續(xù)航和負(fù)載，而且還可以實(shí)現(xiàn)在太陽(yáng)能發(fā)電冗余條件下，為飛行器緊急充電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)為提高充電的能量傳輸效率提供了一種可靠的解決方案。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器 無(wú)線供電 電磁感應(yīng) 太陽(yáng)能發(fā)電

中圖分類號(hào)：V24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）04（c）-0094-03

Abstract：The wireless power supply system of four axis aircraft is designed. Based on principle of electromagnetic after energies of coil are forced to be coupled energies transmission will be realized. The system will charge the aircraft will be charged during flight and vehicles endurance and load will be increased by the wireless power supply system. Also， redundant solar power will charge for system in case of emergency. The simulation proved that a reliable solution is provided by the designed system of quadcopter.

Key Words：Four axis aircraft； Wireless power supply； Electromagnetic induction； Solar power generation

目前，無(wú)線充電技術(shù)已經(jīng)在手機(jī)、電動(dòng)牙刷等智能電子產(chǎn)品上廣泛使用，并正在電動(dòng)汽車領(lǐng)域開(kāi)展深入應(yīng)用[1]。無(wú)線充電的弊端在于，充電速度慢，如果充電時(shí)間更快，那么無(wú)線充電技術(shù)將會(huì)極大地幫助飛行器進(jìn)行長(zhǎng)途飛行。本文所設(shè)計(jì)的飛行器無(wú)線供電系統(tǒng)，將在一定程度上緩解續(xù)航不足的狀況。

本文所設(shè)計(jì)的充電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將電能到磁能的轉(zhuǎn)換后，再將磁能轉(zhuǎn)換成電能，無(wú)線充電系統(tǒng)部分可實(shí)面在無(wú)人機(jī)停止時(shí)，對(duì)飛行器進(jìn)行無(wú)線充電，提供即充即飛的條件。在太陽(yáng)能充電系統(tǒng)部分，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的太陽(yáng)能充電裝置，在飛行器飛行時(shí)，給其電池充電。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在能量消耗達(dá)到最小，而獲得最大的電能傳輸效率。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成：（1）電磁感應(yīng)無(wú)線充電系統(tǒng)；（2）太陽(yáng)能充電系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的硬件電磁感應(yīng)無(wú)線充電系統(tǒng)由圖1所示，由NE555D脈沖發(fā)生器電路、功率放大及無(wú)線發(fā)射電路、感應(yīng)線圈電路、充電檢測(cè)電路組成。設(shè)計(jì)的硬件太陽(yáng)能充電系統(tǒng)框圖2如下所示，由太陽(yáng)能電源系統(tǒng)電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、充電電路組成。

1.1 電磁感應(yīng)充電系統(tǒng)功能

無(wú)線充電系統(tǒng)應(yīng)用電磁感應(yīng)原理。本系統(tǒng)通過(guò)NE555D芯片產(chǎn)生一個(gè)36.7K的脈沖頻率，通過(guò)IRFP460進(jìn)行功率放大，電流流過(guò)發(fā)射線圈，使線圈產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，當(dāng)接收線圈靠近時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生電流，經(jīng)過(guò)全波整流和穩(wěn)壓，得到電池所需要的充電電壓和電流[2]。發(fā)射線圈流過(guò)的電流會(huì)隨著感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的增加而增大，通過(guò)運(yùn)算放大電路把0.33Ω的負(fù)載電壓23倍放大，再通過(guò)1N4148整流濾波得到電壓U1與基準(zhǔn)源U0比較，經(jīng)測(cè)算該電磁感應(yīng)系統(tǒng)充電效率大約在80%。

1.2 太陽(yáng)能充電系統(tǒng)功能

1.2.1 太陽(yáng)能電源系統(tǒng)

太陽(yáng)能電源系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能發(fā)電板、充放電控制器和鋰電池組成，如圖3所示。

太陽(yáng)能電源系統(tǒng)的作用是從太陽(yáng)能電池板上收集太陽(yáng)光能量，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成直流電能，再把轉(zhuǎn)化后的電能經(jīng)充放電控制器存儲(chǔ)在鋰電池中，并通過(guò)鋰電池給整個(gè)飛行器控制系統(tǒng)供電[3]。

1.2.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、掉電存儲(chǔ)電路、光照控制電路、定時(shí)控制電路和電源電路組成，如圖4所示。

單片機(jī)控制系統(tǒng)的作用是使用光照控制電路和定時(shí)控制電路輸入控制信號(hào)，通過(guò)液晶顯示器顯示系統(tǒng)相關(guān)信息，利用單片機(jī)輸出信號(hào)控制恒流驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)鋰電池充電的自動(dòng)開(kāi)關(guān)[4-5]。

2 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，無(wú)論系統(tǒng)規(guī)模大小都需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程控制，因此程序設(shè)計(jì)也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要工作之一。程序編寫的主要步驟有如下三點(diǎn)：

（1）首先要根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行系統(tǒng)功能框圖設(shè)計(jì)，然后根據(jù)功能關(guān)系進(jìn)行各組成模塊的功能框圖設(shè)計(jì)。

（2）根據(jù)系統(tǒng)功能框圖和模塊功能框圖，設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序流程圖。在設(shè)計(jì)流程圖時(shí)要周密規(guī)劃，因?yàn)榱鞒虉D的工作流程就是程序的工作步驟，流程圖是否合理直接影響程序調(diào)試能否成功。

（3）根據(jù)相應(yīng)的程序流程圖來(lái)編寫程序文件。本系統(tǒng)的程序流程圖，如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

以5600mAh鋰電池測(cè)算，通過(guò)安時(shí)效率公式：充電效率=（放電電流×放電至截止電壓的時(shí)間）÷（充電電流×充電時(shí)間）×100%，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多次仿真測(cè)試。結(jié)果如表1所示，表明電磁感應(yīng)供電系統(tǒng)的能量傳輸效率在80%左右，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)能量傳輸效率約為15%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要設(shè)計(jì)了一種四軸飛行器無(wú)線供電系統(tǒng)。其硬件部分包括NE555D脈沖發(fā)生器電路、功率放大及無(wú)線發(fā)射電路、感應(yīng)線圈電路、充電檢測(cè)電路、陽(yáng)能電源系統(tǒng)電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊和充電電路。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多次仿真測(cè)試。結(jié)果表明，電磁感應(yīng)供電系統(tǒng)的能量傳輸效率在80%左右，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)能量傳輸效率約為15%。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能一定程度緩解四軸飛行器電池續(xù)航不足的短板，但是需要完全滿足飛行器的供電需求，還需要繼續(xù)開(kāi)發(fā)、測(cè)試更高效的能量傳輸裝置。

參考文獻(xiàn)

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