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《车载智能充电无人机机库系统设计》

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摘要：随着国内无人机技术的发展与成熟,无人机的应用已经开始普及.当前的无人机已经非常智能,可以实现自动启飞和自动返航,但是没有专业的产品来给无人机提供自动充电的服务以及供无人机起飞与返航的停机坪,车载无人机智能充电机库系统的设计已经迫在眉睫.本系统正是在这个大背景下设计而成的.系统主要分为五个部分,分别是电池充电部分、停机坪部分、本地控制部分、时间控制部分和远程遥控部分.其中电池充电部分主要有太阳能光伏板和220V交流电两种供电方式.停机坪部分的动力系统采用电动推杆,导轨系统采用滑块和滑杆,可以实现停机坪在轨道上平移.本地控制主要是通过MCU和控制面板来实现机库门、停机坪和太阳能光伏板.时间控制部分主要功能是控制停机坪在规定时间内伸出或者收回.还有远程遥控部分,通过433MHz无线串口实现远程遥控功能.

关键词：无人机；智能机库；远程遥控

1 绪论

1.1 引言

无人机是一种利用无线电遥控设备或者自备的智能程序实现驾驶操控的不载人飞机,英文缩写为“U”,也被称为空中机器人.多旋翼无人机是一种具备悬停功能的无人机,几年来发展迅猛.对于大面积无人值守,特别恶劣的环境,代工进行工作,大大降低了危险性和成本,是极具潜力的应用[1].随着小型化和功能化进一步发展,无人飞机现在已广泛应用各个领域,例如用于空中拍摄、农药喷洒和快递运输[2].随着对无人机应用价值认知的加深,无人机在消费级,工业级和军用级市场都呈现出迅猛发展之势,无人机产品也如雨后春笋般涌现出来.

1.2 研究背景

无人机的应用已经非常广泛,但是众所周知,无人机在是使用过程中有许多局限,有无人机自身的局限,也有外界环境的因素,限制了无人机的使用场合.其一,就是无人机在户外使用的过程中需要解决频繁的充电问题.目前市场上使用电能驱动的无人机都是用锂电池供电.锂电池质量轻、寿命长、承载能量高,所以锂电池成为了无人机能量提供的不二选择.但是锂电池自身需要稳定电源供电,这就大大限制了无人机的使用场合和时间,无人机迫切需要一套可以随时随地可充电的移动式充电站.该移动式充电站不仅能给无人机充电,还要实现方便移动、可车载等优点,更为重要的是使用太阳能作为能量来源,随时随地可取电.

其二,就是无人机停靠与起飞都需要相对平稳的平面,否则会伴随“炸机”的风险,所以在野外诸多场合,无人机无法起飞与降落.因此,一个稳定可靠的停机坪也是无人机野外工作的必要条件.停机坪需要给无人机提供稳定可靠的起飞降落环境,而且要防止无人机在停靠充电时意外起飞.由于无人机属于电子产品,高湿度环境会发生故障,停机坪还需要给无人机提供遮风挡雨的环境.

为了给无人机提供稳定可靠节能环保的野外工作基地,我们特此提出一种车载智能充电无人机机库系统,可由太阳能和220V交流电作为电源,为无人机提供高效率充电和稳定的停机坪.同时还带有时间控制器,为自动返航的无人机提供更智能的停机与起飞服务.自动充电系统也可实现自动充电.

2 系统结构设计

2.1系统供电结构

本系统的主要供电方式是太阳能光伏板,辅助供电是220V交流电,防止长时间阴天而造成电力不足.太阳能光伏板通过太阳能控制器稳压,UPS电源无缝切换太阳能供电与磷酸铁锂电池供电,确保系统不会断电.同时,太阳能光伏板一直在给磷酸铁锂电池供电.本系统其他模块,如控制模块,通信模块都由磷酸铁锂电池直接供电.其中,无人机锂电池充电部分由太阳能控制器直接输出供电,大电流充电可确保充电时间和效率.磷酸铁锂电池只是辅助充电,在没有太阳光或者太阳能光伏板无法工作时给无人机锂电池充电.220V交流电与太阳能智能切换,如果220V交流供电时,太阳能自动切断.

2.2系统的硬件结构

本系统采用工业级单片机作为系统主控,能适应比较恶劣的环境.控制方式有本地面板控制和远程遥控两种方式,有开关可以切换两种控制方式.本地控制可以控制机柜门的开合,太阳能板的平移,停机坪的伸出与收回.同时也可以切换本地控制与远程控制.

时间控制器主要功能是给系统传输时间数据,配合主控芯片,在规定的时间内控制机柜门的开合与停机坪的伸出和收回,从而实现无人机的定时起飞和定时降落的功能.时间控制器也可以手动输入时间,实现对时功能,防止有误差而影响无人机的自动启飞和降落.

压力传感器判断无人机是否降落在停机坪上,配合电磁吸盘使无人机固定在停机坪上面,可以防止在无人机充电的时候意外起飞.机柜门、停机坪和太阳能板的活动是通过电动推杆来实现.由主控发送控制信号给电推杆驱动模块,从而驱动电动推杆做出相应动作.

2.3系统的软件结构

本系统的软件结构主要是有主程序模块和中断模块两大部分组成.主程序模块主要是实现硬件的初始化,循环检测控制面板上的按键是否按下,如果按下,则执行相应的子程序.同时检测压力传感器的数据,判断无人机是否降落.其中电动推杆的驱动程序则是封装成子程序模块,适时调用即可.

其余部分都由中断程序实现.433MHz远程遥控通过USART中断实现,判断是否接收到遥控器的数据.如果接收到,则由串口中断程序执行数据比较；如果数据一致,则执行相应指令.压力传感器的检测则由外部中断实现.时间控制器通过IIC总线与主控模块通信,通过定时器中断服务程序定时发送数据.

2.4系统的机械结构

无人机机库的机械结构主要包括停机坪和太阳能板伸缩机构,机库框架及相关覆盖件.待工作状态下,无人机停在机库内的停机坪上,当接到工作指令时,机库门打开,停机坪伸出后无人机起飞,同时左右太阳能充电板伸出,利用太阳能给蓄电池充电.无人机起飞后,停机坪缩回,机库门关闭.当收到无人机返航信号时,机库门打开,停机坪伸出,待无人机停稳后,停机坪自动缩回.通过停机坪上面的辅助触点,太阳能直接给无人机充电.在机库的后面安装有基站箱,在机库的右侧面板上安装有手动操作面板,在紧急情况下,可通过手动操作面板都机库进行控制.

停机坪,太阳能板以及机库门的开启关闭均由智能电推杆完成.电动推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置.电动机经齿轮减速后,带动一对丝杆螺母,把电机的旋转运动变成直线运动,利用电动机正反转完成推杆动作.推杆两头各有一个行程限位开关,推杆运行到底或顶后,会自动停止.在停机坪和太阳能电池板的下方安装有直线导轨和滑块,停机坪和太阳能板通过滑块在直线导轨上作直线运动.滑块里面有两排滚珠,能够大大减少停机坪及太阳能板运动过程中的摩擦力.

2.5系统的停机坪结构

无人机在野外起飞与降落都需要相对平稳的平面,这就限制了无人机的使用环境.本机库专为无人机起飞与停靠设计了可伸缩的停机坪,即使在野外环境下也可以实现安全起飞和降落.同时,停机坪上搭载了大功率充电电路,无人机停靠后可以实现自动充电.本机库的停机坪也设计了防止无人机在充电过程中意外起飞的把保护电路,检测无人机是否停靠在停机坪,实现自动保护.

3 系统测试与分析

系统测试是检测系统是否能够正常工作,是否达到预期设计要求.通过对系统的测试,可以判断出系统的不足并及时对系统进行改进,在本设计中对系统测试主要包括系统的硬件测试、系统无线通信测试与系统功能测试三部分.

3.1系统硬件测试与分析

系统硬件测试是为了检测系统硬件部分是否能够正常工作,是不是存在硬件电路接触不良、电路设计不合理的问题.在进行通电检测之前,根据已经设计好的电路图,用检测工具检测系统各个部分是否存在开路、短路等情况.在对设计硬件部分进行基本的检测之后,给设备上电,通电检测主要是判断系统各个子模块在上电以后是否可以正常工作.

3.2无线通信测试与分析

433MHz通信部分测试主要测试通电以后无线模块是否能正常传输数据.首先检测模块是否初始化成功.接着检测WIFI是否能通信,通过USB转串口模块,分别将433MHz无线串口与两台电脑电脑相连,再由PC端串口助手分别进行发送数据与接收数据的测试.接下来进行通信距离测试,本系统采用100mW功率的433MHz无线模块,理论通信距离1km,实测在200m范围内,通信效果非常好,不会出现数据丢失的情况.通过以上测试,可以看出433MHz无线模块可实时、快速的发送所采集到的数据,完全可以满足系统需求.

3.3系统功能测试与分析

本系统主要有两大功能,一是给无人机充电,二是为无人机提供停机坪.无人机电池是6串锂电池,额定电压22.8v,容量为16000mAH,平均充电电流是15A.本系统是通过大面积金属接触面给无人机电池充电,充电时配合电磁吸盘,将无人机严密吸合,极大提升充电电流,提高充电效率.

机柜停机坪的测试主要是配合控制面板和远程遥控器控制停机坪、机柜门和太阳能光伏板做出相应的动作.经过测试,都可以实现.

参考文献

1. 张正印,徐志华,周清．无人机智能机库,C N107060447 A,2017.08.18.

2 ．任连萌,戴维．分布式无人机充电机库,C N106368478 A,2017.02.01. 　

责编/马铭阳

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