無人機自動斷電開關機構研究與試驗

張冬，袁春陽

天津航天中為數據系統科技有限公司

本文研究一種多旋翼無人機自動斷電開關，闡述其工作原理、外形與內部結構設計，最后搭建試驗平臺，對自動斷電開關進行測試，驗證斷電開關的性能和可靠性。無人機使用該型斷電開關，無須人員操作便能自動完成斷電與上電。

多旋翼無人機自動機場提供了一種全新作業模式。在整個作業過程中，自動機場中的無人機無須人員操控，便能一鍵起飛，按照預設航線飛行，完成作業后返回自動機場，完成整機斷電以及鋰電池充電。無人機自動機場可減少人力投入，提高作業效率，為高速公路巡查、城市道路巡查、安防、石油管道巡檢、海岸巡查等應用領域提供一種更便捷的智能化解決方案。目前，多旋翼無人機技術已經越發成熟，行業須要解決的問題是，無人機如何在沒有人員參與的前提下完成斷電，使用者如何防止無人機長時間上電導致的元器件使用壽命和精度下降。無人機在作業過程中，由于多個電調同時工作，無人機總輸出電流較大，極限作業時電流可達上百安，傳統遠程機械式或電子式斷電開關均無法滿足無人機斷電的需求。

為解決問題，本文研究一種無人機機械式自動斷電開關，這種斷電開關耐疲勞，使用壽命長，具有良好的穩定性和可靠性。在起降過程中，無人機使用這種開關，能夠自動完成斷電或上電。

機構組成與工作原理

圖1 無人機自動斷電開關的工作原理圖。

自動斷電開關可實現無人機與鋰電池之間的通斷，其實施方案詳見圖2。無人機降落在自動機場停機坪升降平臺后，隨升降平臺下降到指定高度，這時安裝于無人機機身底部的斷電開關與通斷觸發平臺接觸，開關斷開，無人機斷電。在起飛前，無人機隨升降平臺上升，斷電開關與通斷觸發平臺分離，開關閉合，無人機上電。

圖2 斷電開關實施方案。

斷電開關設計

前文已初步確定斷電開關的工作原理和實施方案。下面闡述開關的外形和內部結構設計。

表1 自動斷電開關的設計指標。

外形設計

自動斷電開關通過三個螺釘固定于無人機機身底部。開關外殼由前殼、中殼、后殼以及推桿四部分組成。其中，外殼采用尼龍材料制成，可以起到絕緣效果。尼龍是一種常用工程塑料，具有機械強度高、韌性好、抗疲勞、抗氧化、耐高溫等特點，能夠延長開關的使用壽命。同時，尼龍的密度比合金小，減小了開關的重量。

內部結構設計

斷電開關的內部組件主要包括壓力彈簧、磁鐵、固定鐵片、彈簧片、輸出與輸入電極等器件。其中，輸入電極與鋰電池的正極供電線被焊接在一起；輸出電極與無人機供電口正極被焊接在一起。輸出與輸入電極閉合時，無人機處于上電狀態，彈簧處于壓縮狀態，彈簧壓縮產生的壓力將輸入與輸出兩個電極壓在一起。同時，為了防止彈簧在無人機振動過程中失效而導致輸出與輸入兩電極斷開，磁鐵吸附在固定鐵片上，磁力將輸出與輸入電極緊壓在一起，作為二次保護。無人機降落后，隨著升降平臺下降，無人機自身的重力擠壓推桿，彈簧被進一步壓縮，輸出與輸入電極斷開，無人機斷電。

圖3 斷電開關的安裝方式。

圖4 斷電開關的外形。

圖5 斷電開關的內部結構圖。

無人機起飛前，輸出與輸入電極處于分離狀態，此時兩個電極的電壓差較大，上下兩個電極接觸瞬間，由于無人機內部電容快速充電，兩個電極會出現嚴重的打火現象，導致電極逐漸腐蝕，無法繼續使用。為了防止電極打火，本方案使用具有四個貼片電阻的整體電阻，該整體電阻被串聯在輸出電極與彈簧片之間，詳見圖6中的電阻電路板。輸出與輸入電極接觸閉合前，彈簧片優先與輸入電極接觸，串聯電阻起到限流作用，待彈簧片與輸入電極充分接觸后，輸出與輸入兩電極才會延遲閉合，無人機上電。開關閉合的動態過程如圖7所示。

圖6 防打火裝置。

圖7 開關閉合過程。

元器件選型

（1）磁鐵選型

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在不考慮彈簧壓力的情況下，磁鐵若滿足斷電開關二次保護的要求，必須提供足夠的吸力。設斷電開關移動部分的總質量為m，如圖8所示。考慮到無人機產生的高頻振動，磁鐵與鐵片產生的吸力除克服斷電開關移動部分自身的重力外，該吸力至少是2倍的移動部分慣性力。

圖8 開關移動部分。

則磁鐵與鐵片產生的吸力F1≥3×m×g(g為物體在地球上的重力加速度)。

模型中測得的移動部分總質量m=101g，則F1≥3.03N。

通過對比多種磁鐵的吸力，同時考慮安裝空間以及固定方式，本文選擇圓形強磁性磁鐵，該磁鐵中間帶有安裝孔。經過彈簧秤測試，磁鐵與鐵片產生的吸力F1=3.8N，滿足條件。

（2）彈簧選型

根據機構特點，本方案選用兩根彈簧，彈簧始終處于壓縮狀態。當開關閉合時，彈簧壓縮量最小，受機構空間限制，彈簧的初始長度為26mm，此時彈簧提供的彈簧壓力為F2；當開關斷開時，推桿向上移動，彈簧壓縮量增大，壓力增大；當推桿向上移動到極限位置時，彈簧壓縮量達到最大，此時彈簧長度為20mm，此時彈簧提供的彈簧壓力為F3。考慮到機構特點以及無人機產生的高頻振動，彈簧壓力除克服斷電開關移動部分自身的重力外，該壓力至少是2倍的移動部分慣性力。

則F2≥3×m×g。

同時，為了保證無人機能完全斷電，無人機應利用自身重力，使彈簧壓縮量達到最大，

則F3＜M×g,其中，M為無人機總質量（在標準任務載荷下）,M=6.5kg。

根據上述限制條件，本方案選用圓形螺旋形彈簧，彈簧自由長度為35mm,彈簧最大壓縮量為25mm。為防止彈簧因長時間壓縮而產生的彈性變形，彈簧材料選用彈簧鋼。經彈簧秤測試，彈簧壓力F2=3.6N，F3=6N，滿足條件。

斷電開關裝配

斷電開關加工完成后，工作人員根據三維模型進行裝配，裝配完成后的開關實物詳見圖9。由于電阻電路板加工周期較長，試驗可暫時使用陶瓷電阻代替電阻電路板。

圖9 斷電開關實物圖。

打火問題及其解決辦法

斷電開關裝配完成后，經過測量，總質量為188g，滿足設計要求。接下來，工作人員將開關安裝在無人機機身底部。無人機選用的鋰電池為高壓型22000mAh-6s鋰電池，經測量，電池正常輸出電壓為24V，斷電開關被串聯在鋰電池正極與無人機供電口正極之間，重復進行通斷試驗。

經過多次驗證，自動斷電開關能夠正常完成通斷工作，但是打火現象明顯，技術人員進一步開展試驗進行分析。

嘗試解決上電瞬間輸出與輸入電極打火嚴重的問題

為了防止開關打火，技術人員在設計斷電開關的初始方案時，將輸出與輸入電極串聯在無人機供電總線路內，用于控制無人機電源的通斷，同時將一支旁路并聯到輸出與輸入電極的端頭，并在該旁路內串聯一組整體電阻。在輸出與輸入電極閉合之前，旁路優先閉合，旁路內的串聯整體電阻起到限流作用。當并聯旁路導通之后，兩個銅片再延遲閉合。串聯整體電阻的初始電阻值為4.7KΩ，開關閉合或者斷開瞬間，斷電開關內部打火嚴重，重復上電不超過30次，兩電極上下接觸面因燒蝕嚴重而絕緣，無法使用。針對上電瞬間銅片打火嚴重的問題，本文提出轉移打火位置的方案，并對該方案進行驗證。

本文建議將打火位置轉移到旁路彈簧片和輸入電極接觸的位置，將彈簧片作為消耗品。技術人員可通過試驗驗證彈簧片壽命，以定期更換彈簧片。

在驗證試驗中，技術人員將旁路接通（即不在旁路內串聯整體電阻，只在旁路中串聯彈簧片）后發現，彈簧片位置打火嚴重，輸出與輸入兩電極之間不打火，而試驗中彈簧片重復使用不超過10次，彈簧片與輸入兩電極的接觸點卻因打火燒蝕嚴重，導致絕緣，無法使用。同時，無人機在工作過程中總電流很大，導致通過斷電開關的電流很大，旁路供電線無法支撐，因此該方案不可取。

電阻未被串聯在電路中的問題分析

旁路串聯電阻后，打火現象未得到解決，說明電阻并沒有發揮作用。原因可能是，在輸出與輸入兩電極閉合前，旁路未接通，旁路內串聯電阻沒有發揮作用。

在驗證試驗中，技術人員在輸出與輸入兩電極之間放入絕緣片，主電路處于斷開狀態，僅旁路接通。經測量，旁路中的串聯電阻為4.7KΩ，說明串聯電阻可以正常工作，該方案成立。

增加無人機電容充放電時間的辦法

旁路串聯電阻后，打火現象沒有得到解決，說明電阻并沒有發揮作用。原因可能是，旁路通電時間過短，無人機內部電容充放電時間不夠，電阻無法充分發揮作用。

在驗證試驗中，無人機接入24V電池，輸出與輸入電極之間加入絕緣片，處于斷開狀態，僅旁路接通。旁路接通時間須超過1min，以保證無人機內部電容擁有足夠的充放電時間。試驗人員關閉主電路，但打火現象沒有明顯改善，該方案成立。

解決電阻值過大、限流作用過大的辦法

經測量，AS150防打火公頭兩端的內部電阻為5Ω，該公頭內阻的電阻值與斷電開關最初設計的電阻值4.7KΩ之間存在較大差異。后期，經技術人員核實，無人機輸入總電壓24V，旁路串聯電阻兩端的電壓為21.5V，打火原因可能是串聯電阻的電阻值過大，限流作用過大，電阻幾乎不能發揮作用。

在驗證試驗中，技術人員更換旁路串聯電阻，將AS150防打火公頭串聯在旁路中，模擬電阻值為5Ω的電阻，先閉合旁路，電阻兩端電壓為4V，3s后主電路閉合，打火現象消失，該方案成立。

圖10 串聯AS150公頭。

接下來，技術人員依次將電阻值為100Ω、50Ω、20Ω，功率為0.5W的現有成品電阻串聯在旁路中，上電瞬間打火減弱，但是電阻直接發生高溫熔化，電阻功率不足，無法使用。

為進一步開展驗證試驗，技術人員對電阻進行更換，使用額定功率為100W的大功率黃金外殼電阻，并將電阻值分別為20Ω、10Ω、5Ω、2Ω的黃金外殼電阻依次串聯到旁路中，在斷電開關上電后觀察打火現象，發現電阻的電阻值減小后，火花逐漸減小，當旁路內串聯電阻的電阻值為5Ω時，火花基本消失，當旁路內串聯電阻的電阻值為2Ω時，輸出與輸入兩電極接觸面火花消失，但旁路彈簧片開始產生火花。因此，本方案應選用電阻值為5Ω的電阻。

低溫、長時間壓縮工況下彈簧性能測試

無人機自動機場處于正常工作模式下，無人機停放在停機坪內，長時間處于斷電狀態，所處環境復雜，其開關內的彈簧長時間處于被壓縮狀態，尤其當外界環境溫度較低時，彈簧有可能產生彈性變形，導致開關無法正常壓緊閉合。因此，彈簧應完成低溫、長時間壓縮工況下的性能測試。

在測試中，溫箱環境溫度為-20℃左右，開關完全被壓縮的狀態持續48h。測試結束后，無人機斷電開關馬上進行上電測試，技術人員觀察開關能否正常工作，彈簧是否有不可恢復的變形。經過重復測試，彈簧未出現問題。 ■