太陽能旋翼無人機自主充電樁的設計

彭柴揚

摘 要：旋翼無人機因續航里程短，導致其在各領域的應用受限。為提高無人機的續航能力，該文設計了一種由太陽能發電系統、無線自適應充電系統組成的自主充電樁。充電樁將太陽能轉換成電能，并能引導無人機自主降落后完成充電，擴展了無人機的飛行范圍及飛行時間。

關鍵詞：自主充電樁 ?旋翼無人機 ?太陽能 ?無線自適應充電系統

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0048-02

旋翼無人機近年來在測繪、巡線、攝影、軍事等領域得到了廣泛應用，其相關產業也迅猛發展。但現有的無人機由于續航能力弱、巡航半徑小，使得其并沒有快速向軍事領域及大規模民用方向發展。

為提高旋翼無人機的續航能力，目前提出的解決方案大多是增加電池容量，或者采用輕質材料制作飛行器機身以減小負載，或是提高電機效率等。專利號為CN202929383U的“無人機及其自動充電系統”公開了一種無人機自動充電系統[1]，包括：供電模塊;無人機充電模塊;時間控制模塊，用于控制所述無人機定時起飛和回航，該專利可以實現無人機定時起飛巡航，定時返航充電，但其無人機飛行范圍受到時間的限制，巡航半徑的增加有限;麻省理工學院的學生發明了一種自主充電無人原型機系統[2]，這種機型可降落在輸電線路上實現自我充電。專利號為CN103872795A提出了類似的“用于無人飛機的充電系統”[3]，這是一種基于交流輸電架空線的自動無人機充電系統，實現無人機全自主、安全的充電方式，提升了無人飛機續航里程;但其實現技術較為復雜，對輸電線路存在一定的安全隱患。

為此，該文提出了一種基于太陽能的無人機自主充電技術，設計了一種旋翼無人機自主充電樁。自主充電樁以太陽能為自身的儲備能源，對身份驗證通過的無人機進行自動充電，充滿后自動斷電，無人機可從充電樁起飛繼續飛行。

1 系統設計

旋翼無人機自主充電樁利用太陽能技術、無線充電技術，實現了無人機自動續航能力的提升，擴大了無人機應用范圍。自主充電樁主要由太陽能發電系統、無線自適應充電系統及支架系統所組成。其中太陽能發電系統由太陽能發電板、蓄電池組成。無線自適應充電系統由降落引導模塊、通訊識別裝置及無線充電板組成。自主充電樁結構如圖1所示。

無線充電板1通過一號支架固定于支撐桿頂端;太陽能發電板3通過二號支架固定于支撐桿上，太陽能發電板的頂端低于無線充電板所在的平面;蓄電池2也固定在支撐桿上，存儲太陽能發電板的電能，并通過通訊識別裝置4連接到無線充電板。

通訊識別裝置的作用是對無人機身份進行自動識別，當識別成功，即允許無人機在此充電樁充電后，啟動降落引導系統，引導無人機自動降落在無線充電板上。降落引導系統主要安裝在無人機上，包括必要的硬件裝置和軟件系統，而充電樁部分的降落引導系統只是起輔助降落作用，其模塊內嵌在無線充電板中。

1.1 太陽能發電系統的設計

太陽能發電系統屬于離網發電系統，主要包括太陽能電池板，DC-DC轉換器，儲能裝置和負載組成[4]。太陽能電池板負責將光能轉換成電能，是能量轉換器件;DC-DC轉換器是將直流電轉換成直流電，是轉變輸入電壓為有效輸出固定電壓的電壓轉換器，進行相關設計后，可以保證DC-DC轉換器的最大功率跟蹤;儲能裝置是貯存太陽能電池方陣受光照后產生的電能并可隨時向負載供電;負載則是對蓄電池中的能量進行消耗的設備。太陽能發電系統結構如圖2所示。

由太陽能電池板產生的電能會存儲在蓄電池中，通過蓄電池與無線充電板連接適配，建立一塊充電區域，當負載需要充電時，把負載放在指定的無線充電區域中，就可以實現無線充電。由于此供電系統主要采用太陽能為能源，擺脫了對電網的依賴，這對解決無人機的續航問題提供了廣闊的前景。

因為無人機是近年來新興產品，電池電壓等規格還沒有統一規定，目前市面上主流的電壓級別有11.1 V（某些航拍器、無人機等）、22.2 V（大疆多軸飛行器等），電池容量多為5000～16000 mAh之間。選用蓄電池時必須要考慮無人機電池容量的問題，所以可以選用的太陽能專用蓄電池型號有65AH、80AH、100AH、150AH、200AH等[5]。考慮到可能出現天氣等原因對太陽能電池板發電的影響，所以建議選用12 V 100AH的蓄電池保證無人機的續航。經計算分析，該型號的蓄電池可以對目前較大電池容量（22.2 V、16000 mAh）的飛行器進行3～4次完全充電，而對一般22.2 V、7000 mAh的無人機則可以進行7～8次完全充電，基本可以滿足要求[6]。同時，通過選用100 W的太陽能電池板對蓄電池進行能量補充，正常天氣情況下，太陽能板2天半即可對蓄電池進行完全充滿電。通過太陽能板、蓄電池、飛行器電池之間的合理搭配，可以進行能量的最優配置與利用。

1.2 無線自適應充電系統的設計

無線自適應充電系統由降落引導模塊、通訊識別裝置及無線充電板3個部分組成。當無人機通過GPS定位在自主充電樁附近，需要降落在無線充電板上充電時，其充電步驟如下所述。

（1）無人機向無線自適應充電系統發出請求充電申請;

（2）通訊識別裝置收到充電請求后，立刻啟動身份驗證程序。識別裝置發送一個隨機數給無人機，同時通過鑒權程序計算出這一隨機數所產生的結果值A1;

（3）無人機收到這一隨機數后，也通過自身的鑒權程序得到一結果值A2，并把A2發送給通訊識別模塊;

（4）通訊識別模塊比較A1與A2，如二者不相等，不啟動充電過程。如二者相等，首先啟動輔助降落引導程序，使得無人機降落在無線充電板上，然后啟動無線充電程序給無人機充電;

（5）充電完畢，無人機飛離充電板，系統進入等待狀態，當收到新的無人機充電申請，再次執行上述步驟。

整個充電過程的流程如圖3所示。

因為無線充電板的表面通常是光滑的，在有風等天氣下，無法對正在充電的旋翼無人機起到固定作用，容易使無人機產生水平及豎直移動，甚至從充電板上滑落，造成電能的損耗。

因此，在充電板上設計有凸起，4個凸起為一組，構成1個正方形，凸起布滿充電板，構成多個正方形。凸起采用三棱錐形狀。另外，在充電板四周安裝電動推桿，當旋翼無人機降落后，電動推桿伸出，用于固定無人機緩沖架。當充電完畢，電動推桿自動縮回，無人機可以正常起飛。與之相配套，旋翼無人機的緩沖架底部也應有小的凸起，能直接插入充電板三棱錐凸起之間的縫隙內。無線充電板結構如圖4所示。

2 結語

太陽能旋翼自主充電樁以太陽能為能源，不受電網的限制，可以安裝在任何需要的地方。完全自動充電的設計方式，可以做到無人值守，充電過程完全自主完成。自主充電樁擴大了旋翼無人機的工作范圍，拓寬了無人機的應用領域，為無人機的廣泛應用提供了良好基礎。

參考文獻

[1] 張顯志.無人機及其自動充電系統[P].中國專利：CN202929383U，2013-05-08.

[2] 電纜網.美國麻省理工研發無人機自主充電系統[EB/OL].http：//news.cableabc.com/world/20140529019234.html，2014-05-29.

[3] 王洋，李大鵬，蔣棟，等.用于無人飛機的充電系統[P].中國專利：CN103872795A，2014-06-18.

[4] 鮑仁強.一種新型太陽能充電站設計[J].通信電源技術， 2012，29（6）：55-57.

[5] 朱吉然，冷華，唐海國.配電自動化終端后備電源選型探討[J].供用電，2014（5）：64-69.

[6] 李勇.無人飛行器在特高壓交流輸電線路巡視中的應用模式研究[D].北京：華北電力大學，2014.