中小型太阳能无人机航电系统设计

贺文哲

摘 要：由于具有广阔的应用前景，高空长航时太阳能无人机引起了研究人员的广泛关注。综合航电系统设计是太阳能无人机研制的关键技术之一。该文基于航电技术发展现状，结合太阳能无人机自身特点，提出了一种中小型太阳能无人机航电系统设计方案，对能源、飞控、测控、载荷各子系统进行了相关设计，并探讨了电磁兼容与系统测试的相关问题。

关键词：太阳能无人机 航电 飞控

中图分类号：V27 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）01（a）-0013-03

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）作为一种非接触性战斗工具，已经在现代战争中发挥了重要作用。太阳能无人机利用光伏电池将太阳能转化为电能，通过电动机驱动螺旋桨产生飞行动力。白天，太阳能无人机吸收太阳光辐射能转换为电能，维持动力系统、航空电子设备和有效载荷的运行，同时给机载二次电源充电；夜间，太阳能无人机释放二次电源中储存的电能，维持整个系统的正常运行。如果白天储存的能量能满足夜间飞行的需要，则太阳能无人机理论上可以实现“永久”飞行[1]。

太阳能无人机的研发涉及学科众多，包括总体、结构、能源、航电等[2]。航电系统作为无人机的关键系统，为无人机提供必需的能源，管理和控制无人机的自主飞行，完成对无人机的导航、制导和控制，确保无人机按照预定的航线准确、稳定、可靠地飞行并执行各种特定的任务。太阳能无人机航电系统设计应结合其自身特点，在充分利用循环能源的同时，引入模块化设计思想，增加其可靠性与可扩展性。

该文立足于中小型无人机航电系统发展现状，结合太阳能无人机总体设计要求，设计了具备自主起降、自主巡航、自主执行任务、手动与自主控制切换、实时图像传输等功能的综合化、模块化航电系统，并探讨了系统电磁兼容与联合调试过程中的关键问题。

1 航电系统设计方案

1.1 航电系统总体设计

太阳能无人机综合航电系统需实现的功能包括：测量无人机当前飞行状态；通过控制作动设备完成手动或自主飞行；通过控制任务载荷完成特定任务。根据其功能性的不同，可将航电系统分为4个子系统：能源子系统、飞控子系统、测控子系统、载荷子系统[3]。其中，能源子系统为所有机载设备提供所需电力；飞控子系统根据机载传感器所提供的测量数据，利用飞行控制算法解算执行机构当前所需控制量，可完成无人机的自主飞行和遥控飞行；测控子系统可实现地面人员对无人机航路的实时规划和对无人机当前状态的实时观测，并可提供图像的实时传输；任务载荷可根据具体任务进行选配。

1.2 能源子系统设计

太阳能电池的加入使得太阳能无人机能源子系统的构成比其他类型无人机更复杂。如图1所示，其主要由太阳能电池阵、锂电池、MPPT模块、电源模块和能源采集器构成。

太阳能电池阵是太阳能飞机的主要能量来源，该文将太阳能电池阵布置于无人机机翼上表面。太阳能电池各片之间采取串联方式，并兼顾走线方便的原则。飞机左侧机翼的太阳能电池片连接与其完全相同。最终，两路太阳能电池阵并联成图1中的太阳能电池阵。

MPPT（Maximum Power Point Tracking）控制器用以协调太阳能电池板、蓄电池与负载的工作。MPPT通过实时侦测太阳能板的发电电压，追踪最高电压电流值，使系统以最大功率输出，在为用电设备供电的同时为蓄电池充电。能源采集器可采集4个电流传感器、两个电压传感器的测量数据，并发送给飞控计算机，用于监测系统各支路的电压电流状态。不同电子设备的供电需求不同，需要通过电源模块将MPPT中输出的32 V电压转化为电子设备所需的16 V/12 V/5 V电压。

1.3 飞控子系統设计

飞控子系统组成如图2所示，主要包括飞行控制与管理计算机、传感器组、作动设备以及地面站设备，其中作动设备兼容小型无人机常用的模型舵机。

飞行控制与管理计算机基于STM32单片机平台自主研发，最多可支持10路PWM波信号输出；通过RS232串行口与测控系统通信，从而实现与地面站之间的数据传输；集成多路外部接口（RS232、RS422、CAN总线），便于实现飞控系统的模块化扩展；采用集成、模块化设计思路，将主控CPU、外围电路以及供电控制继电器等集成在一个壳体内，对外采用统一接口航插。

飞行控制与管理计算机内部采用先进的非线性控制算法，对飞行器的纵向、横向、侧向3个通道进行稳定和解耦控制。在保证无人机飞行航向正确、姿态稳定（此功能可有效提高飞行器抗风能力）的同时，实现高精度航迹和高度控制；引入自适应控制技术，可以自动适应风场扰动；此外，还可以对摄像云台进行增稳控制，在飞行器姿态波动时，自动控制云台机构进行运动补偿，从而使摄像镜头始终保持固定角度，有效提升无人机获取图像情报的质量。

1.4 测控子系统设计

测控子系统提供地面人员与无人机之间的通信桥梁，此外还提供视频传输带宽以满足航测与侦查的任务需求。测控子系统采用应用了单载波频域均衡（SC-FDE）技术的视频采集双向收发设备：即在实现无人机到地面视频/遥测数据实时传输的同时，完成地面站遥控数据向无人机的上行传输。系统配备高清编码器与解码器，将高清摄像头拍摄画面进行压缩传输，可支持720 p/1080 p高清视频图像传输；此外，系统采用一体化设计，只使用单根天线，容易安装；无线通信使用340 MHz一个频段，降低了和机上其他设备互相干扰的概率，也有利于无人机的电磁兼容。

1.5 载荷子系统设计

载荷子系统需根据太阳能无人机具体的应用场景进行设计。其可搭载载荷包括但不限于高清摄像机、多光谱光电吊舱、通信中继基站、WIFI信号发射机及其他特种任务载荷。中小型太阳能无人机有效载荷往往较小，翼展4～10 m的太阳能无人机载荷能力在3～10 kg左右。因此，中小型太阳能无人机常见载荷主要为小型高清摄像机。该文采用重量为136 g的GoPro摄像机搭配三轴云台作为有效载荷；可拍摄1080 P高清图像，并通过测控链路实时回传。云台控制接口为PWM方波，因此利用自主研制的飞行控制与管理计算机对其进行控制。

2 电磁兼容设计

大部分太阳能无人机结构简单，不具备单独的设备舱，航电设备需布置于细长的机身主梁周围。在狭小的空间中集成大量的电子设备极易引起彼此间的电磁干扰。而且，太阳能无人机执行机构控制为PWM方波，极易受到干扰，引起跳舵，影响飞行性能和飞行安全。因此，在太阳能无人机航电系统设计过程中应充分考虑电磁兼容要求。电子设备尽可能减少非工作频率的发射，以建立较低场强的电磁环境。同时要求电子设备在低于某一标准电平的电磁环境中不受干扰，正常工作。

太阳能无人机航电设备众多，需要大量的供电线与信号线交错。在航电设备安装时，所有设备均应合理接地；设备走线应避免强电线与弱电线并行；所有的信号线与航插均应采用屏蔽设计，且在接口处应包裹屏蔽膜。在进行试飞之前，应对航电系统进行充分的全系统电磁兼容测试，包括自兼容与外部干扰兼容等。

3 航电系统调试

航电系统包含设备数量和种类较多，在所有设备共同工作时容易出现个别部件的性能下降甚至失灵。如何发现并解决此类现象，是航电系统调试应关注的重点问题。太阳能无人机航电系统调试应采取由点及面的形式进行，调试过程按以下步骤进行。

（1）测试MPPT模块与能源采集器功能、测量太阳能电池阵与锂电池电压、测量电源模块输入输出电压。

（2）连接导航系统，利用机载能源系统为机载计算机供电，使用线缆接入地面站软件，测试机载计算机是否工作正常，移动导航设备，观察导航数据变化是否正常。

（3）接入作动设备（舵机、云台、电调等），使用遥控模式测试各作动设备是否正常；切换至自主模式，移动导航设备，观察各作动机构是否按预定逻辑进行作动。

（4）接入测控设备，测试数据传输是否正常；接入摄像机，测试图像传输是否正常。

（5）进行全机联试，测试航电系统电磁兼容性能。

（6）进行长时考机与能源循环测试。

（7）进行试飞试验与飞行控制参数整定。

4 結语

该文提出了一种基于当前航电技术发展水平的中小型太阳能无人机综合航电技术方案，完成了航电系统总体设计以及能源子系统、飞控子系统、测控子系统、载荷子系统的设计，并探讨了航电系统的电磁兼容问题和系统调试问题，提出了相应的解决方案。在考虑利用太阳能循环能源的基础上，将模块化思想引入中小型太阳能无人机航电系统设计，有助于提高其可扩展性与可靠性。该文提出的相关方案对该类型的航电系统设计具有一定的参考价值，后续可进行太阳能无人机试飞验证与应用场景研究。

参考文献

[1] Gao X Z，Hou Z X，Guo Z， et al.Reviews of methods to extract and store energy for solar-powered aircraft[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews，2015（44）：96-108.

[2] 高广林，李占科，宋笔锋，等.太阳能无人机关键技术分析[J].飞行力学，2010，28（1）：1-4.

[3] 王尔申，张芝贤，雷虹，等.复合材料无人机航电系统的改进设计[J].电讯技术，2012，52（9）：1422-1426.