基于嵌入式系统的太阳能航空模型能源系统的应用与研究

杨志永 张雷 罗政 王利敏

摘 要：基于嵌入式系统的能源控制器能够有效地将现有的高质量蓄电池和太阳能有机地结合起来，可以有效地解决光照不强，载重过大等一系列小型无人机固有的难题，现在国内外对于无人机的飞行研究也逐步深入，而最大程度提高能源转化效率是未来的主要研究方向。

关键词：太阳能；能量管理；无人机

引言

近几年，地震、泥石流、洪涝灾害等自然灾害不断，需要实时获得最新的空中实景状况，尤其近期发生的危化品爆炸事件需要实时现场画面，而无人机恰好是最佳的选择。

太阳能飞机以太阳能为能源，既绿色环保又满足了飞机在空中长时间飞行需要。若在小型模型飞机上加装了一系列设备后，民用上可用于大气研究、天气预报、环境及灾害监测、农作物遥测、交通管制、电信和电视服务、自然保护区的监控等。在军用上可用于边境巡逻、侦查、通信中继、电子对抗等作用。由于高空长航时太阳能无人机具有重要的民用和军事用途，各国都把高空长航时的太阳能无人机列为重要的发展项目[1]。

以太阳能利用为标志的新能源技术是未来发展的方向之一。由此所形成的高科技产业——太阳能产业，主要研究生产各种太阳能跟踪、捕获、转换、传输和存储的技术和设备，必将会产生巨大的经济效益和社会效益。

1 当前面临的主要问题

1.1 电能管理系统

需要以硅太阳能电池板作为能源的电动机为模型飞机提供足够的动力。目前，太阳能电池的研究日新月异，在各个领域都有充分的应用，比如太阳能路灯、太阳能发电、太阳能热水等，但是面对每天巨大的太阳能资源，最重要的是能够具有很高的能源转化效率。

航空领域的太阳能电池板一般都具有很好的能量转化效率，而我国目前航空领域研制的太阳电池没有大范围推广，因此就必须从现有电池中寻找理想产品并把它应用于太阳能模型飞机。

1.2 太阳能航模续航能力

太阳能航模的应用范围以及应用效果取决于太阳能航模在空中的续航能力。而太阳能航模在空中的续航能力与航模的结构设计，新型复合材料的使用等有关，而其中最重要的就是能源供应问题。如果能源能够稳定且高效地得到利用，那么太阳能航模的应用层面将会非常广泛，所以我们着重对太阳能航模上能源的转化、供应以及存储进行研究[2]。

2 能源系统设计原理和方案实施

本电路是基于STC12C5A60S2设计的，STC12C5A60S2自带8路10位AD，以及2路PWM，由于用到太阳能电池板，就不得不考虑过流的问题，所以本电路采用的是IRF4905-P的MOS，漏极电流大，漏源耐压值高，具有很好的线性，而且再配合上三极管驱动电路使MOS管的开关速度大大地提高，降低了MOS本身的功耗，单片机的功耗也是极其的小，一般只有几十毫安，这样就使大部分的电能用于充电，设计是基于过流保护精度高、反应快的特性。

另一个方面就是对电池的保护，既可以延长寿命又可以节省能量。本系统的特点是当充电电压低于电池电压市，采用脉冲充电的方式仍然会给电池充电；同时该控制器能够有效地防止蓄电池过充、过放、过流，可以达到该模型的需要，通过在实验室中进行调试，该系统控制器由充电电路、切换电路、放电电路三部分组成，下面分别介绍其组成部分。

充电电路：通過检测电流的大小，蓄电池参数和电路自身的分析，对输出的电流以及电压进行调控，根据蓄电池的容量大小，可改变R以改变充电电流。

切换电路：当有光照时，Q1导通，三极管控制使继电器不耗电，无光照时，Q1截止，交流电经常开触点送出。

放电电路：蓄电池对负载放电时端电压会逐渐降低，当端电压降低到小于预先设定的过放电址值时，使K2释放，LED2熄灭，Q4导通，Q5截止。当蓄电池端电压大于预先设定的过放电压值时，04截止，Q5导通。该部分电路可形成双迟滞电压比较器，从而使电路在比较电压的临界点附近不会产生振荡。（图1）

图1 能源控制器电路图

3 结束语

能量管理系统，能够对太阳能电池板能量进行实时有效的管理和利用，当其运用于太阳能航空模型后，可以使该模型的飞行时间和路程大大提高；伴随着大型的太阳能模型飞机的发展，搭载更多小型设备，可以使该太阳能模型飞机有更广阔的应用前景[3]。

基于嵌入式系统的能源控制器能够有效将现有的高质量蓄电池和太阳能有机地结合起来，可以有效地避免光照不强，载重过大等一系列小型无人机固有的难题，现在国内外对于无人机的飞行研究也逐步深入，而最大程度提高能源转化效率是未来的主要研究方向。

参考文献

[1]邓海强，余雄庆.太阳能飞机的现状和发展趋势[J].航空科学技术，2006.

[2]高光林，李占科，宋笔锋，等.太阳能无人机关键技术分析[D].西北工业大学.

[3]庄天义.某太阳能飞机总体飞机设计研究[D].北京航空航天大学.

作者简介：杨志永（1992，7-），男，山西朔州，重庆交通大学河海学院本科生，研究方向：控制与优化、水利技术。