中心議題：
    *  電源管理係統總體(ti) 框架
    *  電源監控係統的實現
    *  電源管理係統的軟件設計
解決(jue) 方案：
    *  該係統采用無線射頻模塊XT09-SI
 
引言　　

當今， 由於(yu) 在民用及國防等諸多領域中的廣泛應用， 空中機器人技術已經越來越被人們(men) 所重視， 並吸引了各國專(zhuan) 家學者的注意。小型旋翼機器人是以模型直升機為(wei) 載體(ti) ， 裝備上傳(chuan) 感器單元， 控製單元和伺服機構等裝置以實現自主飛行。而為(wei) 了提高飛機的安全性， 需要設計一套設備監測係統， 實時的監測飛機的姿態信息， 機載設備的狀況以及電源的情況等。　　

該平台所使用的電源是兩(liang) 節鋰電池串聯組成的電池組， 利用鋰離子電池的充放電特性， 設計了一套以mega16l 為(wei) 核心的充放電管理係統。鋰電池具有體(ti) 積小、能量密度高、無記憶效應、循環壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(you) 點， 與(yu) 鎳鎘電池、鎳氫電池不太一樣的是必須考慮充電、放電時的安全性，以防止特性劣化。因此在係統運行過程中， 為(wei) 了保護鋰電池的安全， 設計了一套欠壓保護電路， 以防止電源管理係統因過用而發生電池特性和耐久性特性劣化。　　

1 電源管理係統總體(ti) 框架　　

無人機電源管理係統是飛機實現自主飛行的重要組成部分， 其大致框架如圖1 所示。在該係統中， 利用AXI 公司生產(chan) 的2212/ 34 型號發電機將動能轉換為(wei) 220V 交流電， 再經過整流穩壓後輸出11.6V 的直流電壓， 可由該輸出電壓為(wei) 兩(liang) 節鋰電池充電。電源管理係統的控製器是meg a161 單片機， 該控製器通過檢測兩(liang) 節鋰電池的電壓大小從(cong) 而控製繼電器開關(guan) 來對電池進行充放電管理。

圖1  電源管理係統框架　　

控製器采集到電源係統中的信息後， 通過無線傳(chuan) 輸設備將該數據實時傳(chuan) 輸給地麵。地麵監控平台還可以發送一些指令給mega16l, 通過控製繼電器開關(guan) 來控製電池充放電， 從(cong) 而實現監測和控製飛機的目的。　　

機上電源模塊由兩(liang) 節英特曼電池有限公司生產(chan) 的鋰電池組成， 電池組電量充足時電壓為(wei) 8?? 4V.電池的荷電量與(yu) 整個(ge) 供電係統的可靠性密切相關(guan) ， 電池剩餘(yu) 電量越多， 係統的可靠性越高， 因此飛行時能實時獲得電池的剩餘(yu) 電量， 這將大大提高飛機的可靠性。　　

2  電源監控係統的實現　　

直升機能順利完成飛行任務， 充足的電源供應不可或缺。　　

由鋰電池的特性可知， 在過度放電的情況下， 電解液因分解而導致電池特性劣化並造成充電次數降低。因此為(wei) 了保護電池的安全， 電源係統在給控製係統供電前要經過欠壓保護模塊和穩壓模塊。為(wei) 了預測電源係統中剩餘(yu) 的電量， 這裏采用檢測電源係統電壓的方法， 在測得係統的電源電壓後， 查找由放電曲線建立的數據庫， 就能估計出電源係統中所剩餘(yu) 的電量。　　

單片機所需要的電源電壓是2. 7 ~ 5.5V, 因此可為(wei) meg a16l 設計外部基準電壓為(wei) 2.5V, 該基準穩壓電路如圖2所示。所以係統要檢測電池的電壓， 需要將電池用電阻進行分壓且最大分得的電壓值不能超過2.5V.控製器測得的電壓值乘上電壓分壓縮小的倍數後， 就能得到電源係統中的實時電壓。時刻監測鋰電池的用電情況， 防止電池過用現象出現， 就能達到有效使用電池容量和延長壽命的目的。

圖2  基準電壓電路
 

2.1 硬件設計　　

2.1.1 直流無刷電機電路　　

無刷直流電機是由電動機主體(ti) 和驅動器組成， 是一種典型的機電一體(ti) 化產(chan) 品。直流無刷電機與(yu) 一般直流電機具有相同的工作原理和應用特性， 而其組成是不一樣的， 除了電機本身外， 前者還多一個(ge) 換向電路， 直流無刷電動機的電機本身是機電能量轉換部分， 它除了電機電樞、永磁勵磁兩(liang) 部分外， 還帶有傳(chuan) 感器。該發電機的部分AC-DC 電路如圖3 所示。

圖3  無刷電機AC-DC 電路　　

2.1.2 充電電路　　

鋰離子電池的充電特性和鎳鎘、鎳氫電池的充電特性有所不同， 鋰離子電池在充電時， 電池電壓緩慢上升， 充電電流逐漸減小， 當電壓達到4.2V 左右時， 電壓基本不變， 充電電流繼續減小。因此對於(yu) 改型充電器可先用先恒流後恒壓充電方式進行充電， 具體(ti) 充電電路如圖4 所示。該電路選用LM2575ADJ 組成斬波式開關(guan) 穩壓器， 最大充電電流為(wei) 1A.

圖4  高效開關(guan) 型恒流/ 恒壓充電器部分電路　　

該電路工作原理如下： 當電池接入充電器後， 該電路輸出恒定電流， 對電池充電。該充電器的恒流控製部分由雙運放LM358 的一半、增益設定電阻R3 和R4 、電流取樣電阻R5 和1. 23V 反饋基準電壓源組成。剛接入電池後， 運放LM358 輸出低電平， 開關(guan) 穩壓器LM2575-ADJ 輸出電壓高， 電池開始充電。當充電電流上升到1A 時， 取樣電阻R5 （50m 歐） 兩(liang) 端壓降達到50mV, 該電壓經過增益為(wei) 25 的運放放大後， 輸出1.23V 電壓， 該電壓加到LM2575 的反饋端， 穩定反饋電路。　　

當電池電壓達到8.4V 後， LM3420 開始控製LM2575ADJ 的反饋腳。LM3420 使充電器轉入到恒壓充電過程， 電池兩(liang) 端電壓穩定在8?? 4V.R6 、R7 和C3 組成補償(chang) 網絡， 保證充電器在恒流/ 恒壓狀態下穩定工作。若輸入電源電壓中斷， 二極管D2 和運放LM358 中的PNP 輸入級反向偏置， 從(cong) 而使電池和充電電路隔離， 保證電池不會(hui) 通過充電電路放電。當充電轉入恒壓充電狀態時， 二極管D3 反向偏置， 因此運放中不會(hui) 產(chan) 生灌電流。　　

2.1.3  電源欠壓保護　　

電源欠壓保護由鋰電池的電池放電特性易知， 當電池處於(yu) 3.5V 時， 此時電池電量即將用完， 應及時給電池充電， 否則電池電壓將急劇下降直至電池損壞。於(yu) 是設計了一套欠壓保護電路如圖5 所示， 利用電阻分壓所得和由TL431 設計的基準電壓比較， 將比較結果送人LM324 放大電路進而觸發由三極管構成的開關(guan) 係統， 從(cong) 而控製負載回路的通阻。試驗證明， 當係統電壓達到臨(lin) 界危險電壓7V 時， 係統的輸出電流僅(jin) 為(wei) 4mA, 從(cong) 而防止了係統鋰電池過度放電現象的產(chan) 生。

圖5 欠壓保護電路　　
 

由於(yu) 鋰離子電池能量密度高， 因此難以確保電池的安全性。在過度充電狀態下， 電池溫度上升後能量將過剩， 於(yu) 是電解液分解而產(chan) 生氣體(ti) ， 因內(nei) 壓上升而發生自燃或破裂的危險；反之， 在過度放電狀態下， 電解液因分解導致電池特性及耐久性劣化， 從(cong) 而降低可充電次數。該充電電路和本管理係統能有效的防治鋰電池的過充和過用， 從(cong) 而確保了電池的安全， 提高鋰電池的使用壽命。

2. 2 軟件設計　　

電源管理係統的軟件設計主要是meg a16l 通過其8 路10位ADC 端口來檢測電池的電壓狀態， 根據不同的情況采取相應措施。一旦出現有電池低於(yu) 7.0V 的情況， 單片機就將該電池切換到充電狀態並保證至少有一組電池為(wei) 負載供電， 且電池1 優(you) 先級別高於(yu) 電池2.主要程序流程圖如圖6 所示， 程序處於(yu) 一個(ge) 無限循環， 單片機時刻監測兩(liang) 組電池的電壓的狀態並記憶當前的充電狀態， 一旦放電的電池達到7V 以下， 單片機驅動繼電器開關(guan) 將充電回路切換到該電池並將另一組電池切換為(wei) 負載回路的電源。

圖6  AVR 主程序流程圖　　

程序在運行的過程當中， 每隔1 秒定時器1 產(chan) 生一次中斷， 通過串口接收監控平台發來的指令信息並將飛機的兩(liang) 組電源的實時電壓狀況、繼電器的狀態等信息通過無線射頻模塊發送給地麵站以便地麵能實時了解到飛機的供電情況。　　

2. 3 上位機設計　　

2. 3.1 無線射頻模塊　　

電源管理係統的上位機硬件方麵主要由無線射頻模塊、電平轉換電路及PC 電腦組成， 大致框圖如圖1 所示。因射頻模塊將接收出來的數據是TTL 電平， 再通過max 232 電平轉換將其變為(wei) RS232 電平傳(chuan) 送給電腦， 從(cong) 而實現飛機和地麵的通信。　　

該係統之所以能實現遠距離監測飛機， 主要依靠無線射頻模塊的遠距離和高準確度等特性。其主要特點如下所示： （ 1）長距離特性： 室內(nei) / 城市距離高達450 米； 室外可視範圍： 帶2.1dB 偶極天線高達11 公裏， 帶高增益天線可達32 公裏； 接收器靈敏度為(wei) - 110dBm.（ 2） 高級網絡和安全： 7 個(ge) 跳頻信道， 每個(ge) 信道可獲得65k 地址， 恢複和確認機製以保證可靠分組傳(chuan) 輸； 支持對等網絡結構（ 沒有主/ 從(cong) 依賴關(guan) 係） , 支持點對點、點對多和多點接入網絡拓撲結構。　　

由此可知， XT end OEM 無線射頻模塊在低成本無線數據通訊解決(jue) 方案中提供了最遠的距離。該模塊易於(yu) 使用， 耗電低， 對設備間重要數據包提供了可靠的數據傳(chuan) 送， 體(ti) 積緊湊節省寶貴的電路板空間。圖7 表示的是由XTend OEM 無線射頻模塊構成的主機間無線連接的係統框圖。

圖7  主機間無線連接的係統框圖　　

2.3.2 地麵監控平台　　

監控平台是整個(ge) 設備監控係統的重要組成部分， 監控平台與(yu) 控製程序之間要求具有雙工通信的。一方麵， 飛機平台上控製器將飛機的實時信息利用數傳(chuan) 發到地麵， 另一方麵， 地麵站將指令發給飛機以完成所需要的任務。　　

地麵軟件基於(yu) Microso ft 的VC+ + 6. 0 平台借助其提供的MFC 類庫進行開發。具體(ti) 的軟件開發過程， 采用麵向對象的設計方法， 使用C+ + 語言實現。每種功能模塊， 對應一個(ge) 類。這樣， 使得最終的軟件實現結構上清晰合理， 易於(yu) 維護升級。該程序利用MFC 技術結合M SComm 控件， 使用C+ + 編寫(xie) 。程序功能包括： 手動設置串口參數， 串行接收數據和發送指令， 顯示接收數據信息和保存接收數據等功能。　　

3  實驗結果分析　　

控製器在得到電源電壓、繼電器狀態、充放電情況等信息後， 將這些信息傳(chuan) 給地麵並保存到PC 機上麵。圖8 所示就是飛機在飛行時采集到的數據。

圖8  電池1 充放電數據。　　
 

從(cong) 圖中可知， 首先電池1 作為(wei) 負載給係統供電， 經過一段時間使用後由7.5V 降到7.0V, 此時單片機在檢測到該電池電量不足後驅動繼電器， 並將該電池切換到充電回路。經過10 分鍾充電後， 因電池2 的電壓也小於(yu) 7V 單片機再次將係統的電源切換到電池1, 如此反複直至完成任務。由此可知該係統能將動能轉換為(wei) 動能並有效的管理係統的用電循環， 提高了係統的運行時間， 從(cong) 而提高整個(ge) 係統的實用性和可靠性。　　

4  結束語　　

本文設計了一套UAV 電源管理係統， 該係統具有自動控製充放電管理， 實時監測電池電壓等功能。該係統已經經過調試和試驗驗證了其可行性， 但是為(wei) 了保證飛機安全， 還要做更多的試驗以保證無人機自主飛行的安全和穩定。除此之外， 高低頻濾波， 電池電量預測等也是重要的方向， 需要深入的研究。現今， 鋰電池的使用範圍越來越廣， 其價(jia) 格也相對適中，如果掌握先進的科學的使用方法， 讓鋰電池發揮應有的最大效用， 將會(hui) 節省大量的資源和財富。