无人机电池补给系统的设计

吴嘉鑫，娄 阳，吴佳颖，章世靖，芦立娟，鲁晓东，张继军

(浙江海洋大学 东海科学技术学院，浙江 舟山 316022)



无人机电池补给系统的设计

吴嘉鑫，娄 阳，吴佳颖，章世靖，芦立娟*，鲁晓东，张继军

(浙江海洋大学 东海科学技术学院，浙江 舟山 316022)

设计了一种无人机电池补给系统，用以增加运输型无人机续航时间。

无人机；电池补给；系统；运输；续航时间

采取了一种折衷方案，即通过建立一个无人机组成的电池补给系统，来达到增加续航时间的效果。此系统分为两部分，一部分是运输货物的无人机组成的运输型无人机，另一部分则是由电池充电平台和补给电池的补给型无人机。

1 仪器及流程

1.1 仪器

3D打印设备、主控芯片STM32、arduino控制模块、锂电池电量芯片ltc2942、六轴传感器MPU6050、数字罗盘HMC5583L、esp8266-12E wifi模块、电机、电脑、锂电池、SL1053锂电池充电芯片，5v200w开关电源

1.2 流程

如图1所示，整体流程分两部分：平台与补给机对接、运输机与补给机对接。主要任务是平台与补给机对接实时控制和检测无人机电池分配状态，并通过平台设备来为运输机提供所需的补给供电，然后利用补给机来为运输机补充所需的电能，从而使运输机在不改变自身的飞行状态的情况下获得电能的补给[1-4]。

图1 整体流程

1.2.1 平台对接流程：

如图2所示，当平台检测到平台内部存在已经电量已经饱和且补给机内部无补给电池的情况下，将会向补给机发出需要进行补给机动作的信息，补给机响应向平台发送接收信息后，两机对接开始，并完成补给机与平台的电池交换的动作，从而使补给机在获得电力的同时，又保证运输机电力补给的充足，同时这种做法会在一定程度上提高系统的响应速度[5]。

图2 平台对接流程

1.2.2 补给机与运输机对接流程：

如图3所示，当运输机在运行过程中检测到电量过低时，运输机向补给机发出请求补给的信息，补给机收到后检测补给机内部是否存在补给电池。若不存在，则补给机发送等待的信息到运输机，运输机降落至安全区等待补给机发送等待补给机发送信息，若运输机接收到确认信息后，两机开始对接，并完成对接后补给机放回平台。

图3 补给机与运输机的对接流程

2 结构设计

无人机由STM32单片机为主控芯片对无人机进行控制，利用lct2942芯片来检测锂电池电量，并将电量信息传输至单片机中，然后单片机进行A/D转化，若单片机判断为运输机当前电量为低时，将会通过计算机与wifi模块的相互通信(线上模式)或各个机体间通过wifi通信(线下模式)两种模式来向补给型机发出补给请求信息,补给型机收到指令后动作，并与运输机进行对接。

图4 整体系统硬件构架

在系统运行过程中平台的位置是不变的，运输机在平台位置起飞以后一直保持通电状态，在算法中利用矢量合成的方法去除重力加速度对无人机自身产生加速度的影响，并在飞行过程中不断求加速度在(x,y,z)上对dt的二次积分值，利用磁力计得出运输机在空间中的相对指向，以此得出较为精确的相对位置。此时补给机可得到运输机的实时位置信息，调整自己的姿态并对接。

2.1 电池结构

现在的飞行器一般的锂电池都是长方体形的，这里我们的锂电池设定尺寸为55*30*10，为了让锂电池能够配合对接装置工作，在锂电池外端设计了一种外壳，外壳由两个对称的帽状物和连接板构成。

2.2 平台结构

平台由充电电路、360度舵机控制的旋转转盘、对接装置组成。

2.3 算法结构

平台运行的算法结构，如图5所示。

图5 算法结构

根据运输机完整的运行时间计算平台的电源充电电路(图4.2.1)中的当前最佳RCS电阻的大小记录当前RCS电阻大小数据的运行曲线。

2.4 对接装置结构

2.4.1 机械结构

对接装置是由三大部分构成，分别是电池外壳滑道部分，电池外壳滑块推杆部分，对接装置轨道和动力部分。且为了缩小装置使其变轻、变薄，对滑块推杆部分进行了升降的设计，当滑块位于装置形态学下端时，通过四边形结构让推杆缩入轨道内部。图中的dx为对接响应距离差

2.4.2 算法结构

如图六所示，对接启动采用了，双机三次与计算机通信来触发，触发后补给机发送目标相对坐标请求到计算机，计算机接到请求后实时发送目标相对坐标，当相对坐标x,y,z都小于设定值时，计算机发送相对坐标的同时发送双机对接第二步启动的命令，双机推出部分电池，以加快对接响应速度，完成后双机发送给计算机第二步完成的信息，当计算机接收到以后计算机进入精确调控运输机的模式，以配合补给机对接，当补给机稳定与运输机上方给定距离时，由上到下，以顺时针顺序，来交换电池，并检测电池电极与滑轨的接触情况。若良好，发送至计算机对接成功的信息，计算机发送给补给机平台的相对坐标，补给机返回。

图6 对接装置算法结构

电池数量=[(飞行重量/(电池容量*电池电压*效率))/(60*0.7)]+1(效率由螺旋桨官方的标定给出)

3 电路图

补给机和运输机整体电路图相同。总电路图如图7所示。

图7 补给机(运输机)整体电路图

4 结 论

设计能够部分的利用智能化设备，实现远距离运输，如无人机快递等，有效的减少人力需求，且达到快速准确，可为其他无人机运输实现智能化提供参考。

[1] 李永涛，董慧媛，张红光，等.工科高校大学生实验创新基地建设初探 [J].大学物理实验，2013，26(5)：122-123.

[2] 苏蓓蓓.Nd:YAG激光声光调Q频率对Si太阳能电池划片的电性能影响[J].大学物理实验，2015(3)：7-10.

[3] 胡汉才.单片机原理及系统设计[M].北京：清华大学出版社.

[4] 楼然苗,李光飞.51系列单片机设计实例[M].北京：北京航空航天大学出版社.

[5] 塔金星.《硅光电池特性》实验教学探索和实践[J].大学物理实验，2015(1)：38-40.

Design of a UAV System to Replenish the Battery

WU Jia-xin,LOU Yang,WU Jia-ying,ZHANG Shi-jing,LU Li-juan,LU Xiao-dong,ZHANG Ji-jun

(Donghai Science and Technological College,Zhejiang Ocean University,Zhejiang Zhoushan 316022)

It presents a UAV battery replenishes system for increased transportation UAV life.

UAV；battery replenish system；transportation；life time

2016-06-01

全国教育信息技术研究“十二五”规划2015年度课题(156232399)

1007-2934(2016)05-0026-04

O 4-33

A DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.005.007

*通讯联系人