太阳能旋翼无人机自主充电桩的设计

彭柴扬

摘 要：旋翼无人机因续航里程短，导致其在各领域的应用受限。为提高无人机的续航能力，该文设计了一种由太阳能发电系统、无线自适应充电系统组成的自主充电桩。充电桩将太阳能转换成电能，并能引导无人机自主降落后完成充电，扩展了无人机的飞行范围及飞行时间。

关键词：自主充电桩  旋翼无人机  太阳能  无线自适应充电系统

中图分类号：TP273           文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（c）-0048-02

旋翼无人机近年来在测绘、巡线、摄影、军事等领域得到了广泛应用，其相关产业也迅猛发展。但现有的无人机由于续航能力弱、巡航半径小，使得其并没有快速向军事领域及大规模民用方向发展。

为提高旋翼无人机的续航能力，目前提出的解决方案大多是增加电池容量，或者采用轻质材料制作飞行器机身以减小负载，或是提高电机效率等。专利号为CN202929383U的“无人机及其自动充电系统”公开了一种无人机自动充电系统[1]，包括：供电模块;无人机充电模块;时间控制模块，用于控制所述无人机定时起飞和回航，该专利可以实现无人机定时起飞巡航，定时返航充电，但其无人机飞行范围受到时间的限制，巡航半径的增加有限;麻省理工学院的学生发明了一种自主充电无人原型机系统[2]，这种机型可降落在输电线路上实现自我充电。专利号为CN103872795A提出了类似的“用于无人飞机的充电系统”[3]，这是一种基于交流输电架空线的自动无人机充电系统，实现无人机全自主、安全的充电方式，提升了无人飞机续航里程;但其实现技术较为复杂，对输电线路存在一定的安全隐患。

为此，该文提出了一种基于太阳能的无人机自主充电技术，设计了一种旋翼无人机自主充电桩。自主充电桩以太阳能为自身的储备能源，对身份验证通过的无人机进行自动充电，充满后自动断电，无人机可从充电桩起飞继续飞行。

1 系统设计

旋翼无人机自主充电桩利用太阳能技术、无线充电技术，实现了无人机自动续航能力的提升，扩大了无人机应用范围。自主充电桩主要由太阳能发电系统、无线自适应充电系统及支架系统所组成。其中太阳能发电系统由太阳能发电板、蓄电池组成。无线自适应充电系统由降落引导模块、通讯识別装置及无线充电板组成。自主充电桩结构如图1所示。

无线充电板1通过一号支架固定于支撑杆顶端;太阳能发电板3通过二号支架固定于支撑杆上，太阳能发电板的顶端低于无线充电板所在的平面;蓄电池2也固定在支撑杆上，存储太阳能发电板的电能，并通过通讯识别装置4连接到无线充电板。

通讯识别装置的作用是对无人机身份进行自动识别，当识别成功，即允许无人机在此充电桩充电后，启动降落引导系统，引导无人机自动降落在无线充电板上。降落引导系统主要安装在无人机上，包括必要的硬件装置和软件系统，而充电桩部分的降落引导系统只是起辅助降落作用，其模块内嵌在无线充电板中。

1.1 太阳能发电系统的设计

太阳能发电系统属于离网发电系统，主要包括太阳能电池板，DC-DC转换器，储能装置和负载组成[4]。太阳能电池板负责将光能转换成电能，是能量转换器件;DC-DC转换器是将直流电转换成直流电，是转变输入电压为有效输出固定电压的电压转换器，进行相关设计后，可以保证DC-DC转换器的最大功率跟踪;储能装置是贮存太阳能电池方阵受光照后产生的电能并可随时向负载供电;负载则是对蓄电池中的能量进行消耗的设备。太阳能发电系统结构如图2所示。

由太阳能电池板产生的电能会存储在蓄电池中，通过蓄电池与无线充电板连接适配，建立一块充电区域，当负载需要充电时，把负载放在指定的无线充电区域中，就可以实现无线充电。由于此供电系统主要采用太阳能为能源，摆脱了对电网的依赖，这对解决无人机的续航问题提供了广阔的前景。

因为无人机是近年来新兴产品，电池电压等规格还没有统一规定，目前市面上主流的电压级别有11.1 V（某些航拍器、无人机等）、22.2 V（大疆多轴飞行器等），电池容量多为5000～16000 mAh之间。选用蓄电池时必须要考虑无人机电池容量的问题，所以可以选用的太阳能专用蓄电池型号有65AH、80AH、100AH、150AH、200AH等[5]。考虑到可能出现天气等原因对太阳能电池板发电的影响，所以建议选用12 V 100AH的蓄电池保证无人机的续航。经计算分析，该型号的蓄电池可以对目前较大电池容量（22.2 V、16000 mAh）的飞行器进行3～4次完全充电，而对一般22.2 V、7000 mAh的无人机则可以进行7～8次完全充电，基本可以满足要求[6]。同时，通过选用100 W的太阳能电池板对蓄电池进行能量补充，正常天气情况下，太阳能板2天半即可对蓄电池进行完全充满电。通过太阳能板、蓄电池、飞行器电池之间的合理搭配，可以进行能量的最优配置与利用。

1.2 无线自适应充电系统的设计

无线自适应充电系统由降落引导模块、通讯识别装置及无线充电板3个部分组成。当无人机通过GPS定位在自主充电桩附近，需要降落在无线充电板上充电时，其充电步骤如下所述。

（1）无人机向无线自适应充电系统发出请求充电申请;

（2）通讯识别装置收到充电请求后，立刻启动身份验证程序。识别装置发送一个随机数给无人机，同时通过鉴权程序计算出这一随机数所产生的结果值A1;

（3）无人机收到这一随机数后，也通过自身的鉴权程序得到一结果值A2，并把A2发送给通讯识别模块;

（4）通讯识别模块比较A1与A2，如二者不相等，不启动充电过程。如二者相等，首先启动辅助降落引导程序，使得无人机降落在无线充电板上，然后启动无线充电程序给无人机充电;

（5）充电完毕，无人机飞离充电板，系统进入等待状态，当收到新的无人机充电申请，再次执行上述步骤。

整个充电过程的流程如图3所示。

因为无线充电板的表面通常是光滑的，在有风等天气下，无法对正在充电的旋翼无人机起到固定作用，容易使无人机产生水平及竖直移动，甚至从充电板上滑落，造成电能的损耗。

因此，在充电板上设计有凸起，4个凸起为一组，构成1个正方形，凸起布满充电板，构成多个正方形。凸起采用三棱锥形状。另外，在充电板四周安装电动推杆，当旋翼无人机降落后，电动推杆伸出，用于固定无人机缓冲架。当充电完毕，电动推杆自动缩回，无人机可以正常起飞。与之相配套，旋翼无人机的缓冲架底部也应有小的凸起，能直接插入充电板三棱锥凸起之间的缝隙内。无线充电板结构如图4所示。

2 结语

太阳能旋翼自主充电桩以太阳能为能源，不受电网的限制，可以安装在任何需要的地方。完全自动充电的设计方式，可以做到无人值守，充电过程完全自主完成。自主充电桩扩大了旋翼无人机的工作范围，拓宽了无人机的应用领域，为无人机的广泛应用提供了良好基础。

参考文献

[1] 张显志.无人机及其自动充电系统[P].中国专利：CN202929383U，2013-05-08.

[2] 电缆网.美国麻省理工研发无人机自主充电系统[EB/OL].http：//news.cableabc.com/world/20140529019234.html，2014-05-29.

[3] 王洋，李大鹏，蒋栋，等.用于无人飞机的充电系统[P].中国专利：CN103872795A，2014-06-18.

[4] 鲍仁强.一种新型太阳能充电站设计[J].通信电源技术， 2012，29（6）：55-57.

[5] 朱吉然，冷华，唐海国.配电自动化终端后备电源选型探讨[J].供用电，2014（5）：64-69.

[6] 李勇.无人飞行器在特高压交流输电线路巡视中的应用模式研究[D].北京：华北电力大学，2014.