无人机自动断电开关机构研究与试验

张冬，袁春阳

天津航天中为数据系统科技有限公司

本文研究一种多旋翼无人机自动断电开关，阐述其工作原理、外形与内部结构设计，最后搭建试验平台，对自动断电开关进行测试，验证断电开关的性能和可靠性。无人机使用该型断电开关，无须人员操作便能自动完成断电与上电。

多旋翼无人机自动机场提供了一种全新作业模式。在整个作业过程中，自动机场中的无人机无须人员操控，便能一键起飞，按照预设航线飞行，完成作业后返回自动机场，完成整机断电以及锂电池充电。无人机自动机场可减少人力投入，提高作业效率，为高速公路巡查、城市道路巡查、安防、石油管道巡检、海岸巡查等应用领域提供一种更便捷的智能化解决方案。目前，多旋翼无人机技术已经越发成熟，行业须要解决的问题是，无人机如何在没有人员参与的前提下完成断电，使用者如何防止无人机长时间上电导致的元器件使用寿命和精度下降。无人机在作业过程中，由于多个电调同时工作，无人机总输出电流较大，极限作业时电流可达上百安，传统远程机械式或电子式断电开关均无法满足无人机断电的需求。

为解决问题，本文研究一种无人机机械式自动断电开关，这种断电开关耐疲劳，使用寿命长，具有良好的稳定性和可靠性。在起降过程中，无人机使用这种开关，能够自动完成断电或上电。

机构组成与工作原理

图1 无人机自动断电开关的工作原理图。

自动断电开关可实现无人机与锂电池之间的通断，其实施方案详见图2。无人机降落在自动机场停机坪升降平台后，随升降平台下降到指定高度，这时安装于无人机机身底部的断电开关与通断触发平台接触，开关断开，无人机断电。在起飞前，无人机随升降平台上升，断电开关与通断触发平台分离，开关闭合，无人机上电。

图2 断电开关实施方案。

断电开关设计

前文已初步确定断电开关的工作原理和实施方案。下面阐述开关的外形和内部结构设计。

表1 自动断电开关的设计指标。

外形设计

自动断电开关通过三个螺钉固定于无人机机身底部。开关外壳由前壳、中壳、后壳以及推杆四部分组成。其中，外壳采用尼龙材料制成，可以起到绝缘效果。尼龙是一种常用工程塑料，具有机械强度高、韧性好、抗疲劳、抗氧化、耐高温等特点，能够延长开关的使用寿命。同时，尼龙的密度比合金小，减小了开关的重量。

内部结构设计

断电开关的内部组件主要包括压力弹簧、磁铁、固定铁片、弹簧片、输出与输入电极等器件。其中，输入电极与锂电池的正极供电线被焊接在一起；输出电极与无人机供电口正极被焊接在一起。输出与输入电极闭合时，无人机处于上电状态，弹簧处于压缩状态，弹簧压缩产生的压力将输入与输出两个电极压在一起。同时，为了防止弹簧在无人机振动过程中失效而导致输出与输入两电极断开，磁铁吸附在固定铁片上，磁力将输出与输入电极紧压在一起，作为二次保护。无人机降落后，随着升降平台下降，无人机自身的重力挤压推杆，弹簧被进一步压缩，输出与输入电极断开，无人机断电。

图3 断电开关的安装方式。

图4 断电开关的外形。

图5 断电开关的内部结构图。

无人机起飞前，输出与输入电极处于分离状态，此时两个电极的电压差较大，上下两个电极接触瞬间，由于无人机内部电容快速充电，两个电极会出现严重的打火现象，导致电极逐渐腐蚀，无法继续使用。为了防止电极打火，本方案使用具有四个贴片电阻的整体电阻，该整体电阻被串联在输出电极与弹簧片之间，详见图6中的电阻电路板。输出与输入电极接触闭合前，弹簧片优先与输入电极接触，串联电阻起到限流作用，待弹簧片与输入电极充分接触后，输出与输入两电极才会延迟闭合，无人机上电。开关闭合的动态过程如图7所示。

图6 防打火装置。

图7 开关闭合过程。

元器件选型

（1）磁铁选型

这是新版《梅葛》十分重要的特点。从工作深入程度讲，这比听一两个歌手，或者召集三五个人小范围的演唱、记录要深入很多，也更具有一个群体的代表性。因为有政府的资金保障，郭晓炜整理新版《梅葛》时，先后召集了近百人参与，和他一起工作的人，多的时候达50多个，而其中至少有20多人，前前后后都参与了整个整理工作。

在不考虑弹簧压力的情况下，磁铁若满足断电开关二次保护的要求，必须提供足够的吸力。设断电开关移动部分的总质量为m，如图8所示。考虑到无人机产生的高频振动，磁铁与铁片产生的吸力除克服断电开关移动部分自身的重力外，该吸力至少是2倍的移动部分惯性力。

图8 开关移动部分。

则磁铁与铁片产生的吸力F1≥3×m×g(g为物体在地球上的重力加速度)。

模型中测得的移动部分总质量m=101g，则F1≥3.03N。

通过对比多种磁铁的吸力，同时考虑安装空间以及固定方式，本文选择圆形强磁性磁铁，该磁铁中间带有安装孔。经过弹簧秤测试，磁铁与铁片产生的吸力F1=3.8N，满足条件。

（2）弹簧选型

根据机构特点，本方案选用两根弹簧，弹簧始终处于压缩状态。当开关闭合时，弹簧压缩量最小，受机构空间限制，弹簧的初始长度为26mm，此时弹簧提供的弹簧压力为F2；当开关断开时，推杆向上移动，弹簧压缩量增大，压力增大；当推杆向上移动到极限位置时，弹簧压缩量达到最大，此时弹簧长度为20mm，此时弹簧提供的弹簧压力为F3。考虑到机构特点以及无人机产生的高频振动，弹簧压力除克服断电开关移动部分自身的重力外，该压力至少是2倍的移动部分惯性力。

则F2≥3×m×g。

同时，为了保证无人机能完全断电，无人机应利用自身重力，使弹簧压缩量达到最大，

则F3＜M×g,其中，M为无人机总质量（在标准任务载荷下）,M=6.5kg。

根据上述限制条件，本方案选用圆形螺旋形弹簧，弹簧自由长度为35mm,弹簧最大压缩量为25mm。为防止弹簧因长时间压缩而产生的弹性变形，弹簧材料选用弹簧钢。经弹簧秤测试，弹簧压力F2=3.6N，F3=6N，满足条件。

断电开关装配

断电开关加工完成后，工作人员根据三维模型进行装配，装配完成后的开关实物详见图9。由于电阻电路板加工周期较长，试验可暂时使用陶瓷电阻代替电阻电路板。

图9 断电开关实物图。

打火问题及其解决办法

断电开关装配完成后，经过测量，总质量为188g，满足设计要求。接下来，工作人员将开关安装在无人机机身底部。无人机选用的锂电池为高压型22000mAh-6s锂电池，经测量，电池正常输出电压为24V，断电开关被串联在锂电池正极与无人机供电口正极之间，重复进行通断试验。

经过多次验证，自动断电开关能够正常完成通断工作，但是打火现象明显，技术人员进一步开展试验进行分析。

尝试解决上电瞬间输出与输入电极打火严重的问题

为了防止开关打火，技术人员在设计断电开关的初始方案时，将输出与输入电极串联在无人机供电总线路内，用于控制无人机电源的通断，同时将一支旁路并联到输出与输入电极的端头，并在该旁路内串联一组整体电阻。在输出与输入电极闭合之前，旁路优先闭合，旁路内的串联整体电阻起到限流作用。当并联旁路导通之后，两个铜片再延迟闭合。串联整体电阻的初始电阻值为4.7KΩ，开关闭合或者断开瞬间，断电开关内部打火严重，重复上电不超过30次，两电极上下接触面因烧蚀严重而绝缘，无法使用。针对上电瞬间铜片打火严重的问题，本文提出转移打火位置的方案，并对该方案进行验证。

本文建议将打火位置转移到旁路弹簧片和输入电极接触的位置，将弹簧片作为消耗品。技术人员可通过试验验证弹簧片寿命，以定期更换弹簧片。

在验证试验中，技术人员将旁路接通（即不在旁路内串联整体电阻，只在旁路中串联弹簧片）后发现，弹簧片位置打火严重，输出与输入两电极之间不打火，而试验中弹簧片重复使用不超过10次，弹簧片与输入两电极的接触点却因打火烧蚀严重，导致绝缘，无法使用。同时，无人机在工作过程中总电流很大，导致通过断电开关的电流很大，旁路供电线无法支撑，因此该方案不可取。

电阻未被串联在电路中的问题分析

旁路串联电阻后，打火现象未得到解决，说明电阻并没有发挥作用。原因可能是，在输出与输入两电极闭合前，旁路未接通，旁路内串联电阻没有发挥作用。

在验证试验中，技术人员在输出与输入两电极之间放入绝缘片，主电路处于断开状态，仅旁路接通。经测量，旁路中的串联电阻为4.7KΩ，说明串联电阻可以正常工作，该方案成立。

增加无人机电容充放电时间的办法

旁路串联电阻后，打火现象没有得到解决，说明电阻并没有发挥作用。原因可能是，旁路通电时间过短，无人机内部电容充放电时间不够，电阻无法充分发挥作用。

在验证试验中，无人机接入24V电池，输出与输入电极之间加入绝缘片，处于断开状态，仅旁路接通。旁路接通时间须超过1min，以保证无人机内部电容拥有足够的充放电时间。试验人员关闭主电路，但打火现象没有明显改善，该方案成立。

解决电阻值过大、限流作用过大的办法

经测量，AS150防打火公头两端的内部电阻为5Ω，该公头内阻的电阻值与断电开关最初设计的电阻值4.7KΩ之间存在较大差异。后期，经技术人员核实，无人机输入总电压24V，旁路串联电阻两端的电压为21.5V，打火原因可能是串联电阻的电阻值过大，限流作用过大，电阻几乎不能发挥作用。

在验证试验中，技术人员更换旁路串联电阻，将AS150防打火公头串联在旁路中，模拟电阻值为5Ω的电阻，先闭合旁路，电阻两端电压为4V，3s后主电路闭合，打火现象消失，该方案成立。

图10 串联AS150公头。

接下来，技术人员依次将电阻值为100Ω、50Ω、20Ω，功率为0.5W的现有成品电阻串联在旁路中，上电瞬间打火减弱，但是电阻直接发生高温熔化，电阻功率不足，无法使用。

为进一步开展验证试验，技术人员对电阻进行更换，使用额定功率为100W的大功率黄金外壳电阻，并将电阻值分别为20Ω、10Ω、5Ω、2Ω的黄金外壳电阻依次串联到旁路中，在断电开关上电后观察打火现象，发现电阻的电阻值减小后，火花逐渐减小，当旁路内串联电阻的电阻值为5Ω时，火花基本消失，当旁路内串联电阻的电阻值为2Ω时，输出与输入两电极接触面火花消失，但旁路弹簧片开始产生火花。因此，本方案应选用电阻值为5Ω的电阻。

低温、长时间压缩工况下弹簧性能测试

无人机自动机场处于正常工作模式下，无人机停放在停机坪内，长时间处于断电状态，所处环境复杂，其开关内的弹簧长时间处于被压缩状态，尤其当外界环境温度较低时，弹簧有可能产生弹性变形，导致开关无法正常压紧闭合。因此，弹簧应完成低温、长时间压缩工况下的性能测试。

在测试中，温箱环境温度为-20℃左右，开关完全被压缩的状态持续48h。测试结束后，无人机断电开关马上进行上电测试，技术人员观察开关能否正常工作，弹簧是否有不可恢复的变形。经过重复测试，弹簧未出现问题。 ■