基于嵌入式系統的太陽能航空模型能源系統的應用與研究

楊志永 張雷 羅政 王利敏

摘 要：基于嵌入式系統的能源控制器能夠有效地將現有的高質量蓄電池和太陽能有機地結合起來，可以有效地解決光照不強，載重過大等一系列小型無人機固有的難題，現在國內外對于無人機的飛行研究也逐步深入，而最大程度提高能源轉化效率是未來的主要研究方向。

關鍵詞：太陽能；能量管理；無人機

引言

近幾年，地震、泥石流、洪澇災害等自然災害不斷，需要實時獲得最新的空中實景狀況，尤其近期發生的?；繁ㄊ录枰獙崟r現場畫面，而無人機恰好是最佳的選擇。

太陽能飛機以太陽能為能源，既綠色環保又滿足了飛機在空中長時間飛行需要。若在小型模型飛機上加裝了一系列設備后，民用上可用于大氣研究、天氣預報、環境及災害監測、農作物遙測、交通管制、電信和電視服務、自然保護區的監控等。在軍用上可用于邊境巡邏、偵查、通信中繼、電子對抗等作用。由于高空長航時太陽能無人機具有重要的民用和軍事用途，各國都把高空長航時的太陽能無人機列為重要的發展項目[1]。

以太陽能利用為標志的新能源技術是未來發展的方向之一。由此所形成的高科技產業——太陽能產業，主要研究生產各種太陽能跟蹤、捕獲、轉換、傳輸和存儲的技術和設備，必將會產生巨大的經濟效益和社會效益。

1 當前面臨的主要問題

1.1 電能管理系統

需要以硅太陽能電池板作為能源的電動機為模型飛機提供足夠的動力。目前，太陽能電池的研究日新月異，在各個領域都有充分的應用，比如太陽能路燈、太陽能發電、太陽能熱水等，但是面對每天巨大的太陽能資源，最重要的是能夠具有很高的能源轉化效率。

航空領域的太陽能電池板一般都具有很好的能量轉化效率，而我國目前航空領域研制的太陽電池沒有大范圍推廣，因此就必須從現有電池中尋找理想產品并把它應用于太陽能模型飛機。

1.2 太陽能航模續航能力

太陽能航模的應用范圍以及應用效果取決于太陽能航模在空中的續航能力。而太陽能航模在空中的續航能力與航模的結構設計，新型復合材料的使用等有關，而其中最重要的就是能源供應問題。如果能源能夠穩定且高效地得到利用，那么太陽能航模的應用層面將會非常廣泛，所以我們著重對太陽能航模上能源的轉化、供應以及存儲進行研究[2]。

2 能源系統設計原理和方案實施

本電路是基于STC12C5A60S2設計的，STC12C5A60S2自帶8路10位AD，以及2路PWM，由于用到太陽能電池板，就不得不考慮過流的問題，所以本電路采用的是IRF4905-P的MOS，漏極電流大，漏源耐壓值高，具有很好的線性，而且再配合上三極管驅動電路使MOS管的開關速度大大地提高，降低了MOS本身的功耗，單片機的功耗也是極其的小，一般只有幾十毫安，這樣就使大部分的電能用于充電，設計是基于過流保護精度高、反應快的特性。

另一個方面就是對電池的保護，既可以延長壽命又可以節省能量。本系統的特點是當充電電壓低于電池電壓市，采用脈沖充電的方式仍然會給電池充電；同時該控制器能夠有效地防止蓄電池過充、過放、過流，可以達到該模型的需要，通過在實驗室中進行調試，該系統控制器由充電電路、切換電路、放電電路三部分組成，下面分別介紹其組成部分。

充電電路：通過檢測電流的大小，蓄電池參數和電路自身的分析，對輸出的電流以及電壓進行調控，根據蓄電池的容量大小，可改變R以改變充電電流。

切換電路：當有光照時，Q1導通，三極管控制使繼電器不耗電，無光照時，Q1截止，交流電經常開觸點送出。

放電電路：蓄電池對負載放電時端電壓會逐漸降低，當端電壓降低到小于預先設定的過放電址值時，使K2釋放，LED2熄滅，Q4導通，Q5截止。當蓄電池端電壓大于預先設定的過放電壓值時，04截止，Q5導通。該部分電路可形成雙遲滯電壓比較器，從而使電路在比較電壓的臨界點附近不會產生振蕩。（圖1）

圖1 能源控制器電路圖

3 結束語

能量管理系統，能夠對太陽能電池板能量進行實時有效的管理和利用，當其運用于太陽能航空模型后，可以使該模型的飛行時間和路程大大提高；伴隨著大型的太陽能模型飛機的發展，搭載更多小型設備，可以使該太陽能模型飛機有更廣闊的應用前景[3]。

基于嵌入式系統的能源控制器能夠有效將現有的高質量蓄電池和太陽能有機地結合起來，可以有效地避免光照不強，載重過大等一系列小型無人機固有的難題，現在國內外對于無人機的飛行研究也逐步深入，而最大程度提高能源轉化效率是未來的主要研究方向。

參考文獻

[1]鄧海強，余雄慶.太陽能飛機的現狀和發展趨勢[J].航空科學技術，2006.

[2]高光林，李占科，宋筆鋒，等.太陽能無人機關鍵技術分析[D].西北工業大學.

[3]莊天義.某太陽能飛機總體飛機設計研究[D].北京航空航天大學.

作者簡介：楊志永（1992，7-），男，山西朔州，重慶交通大學河海學院本科生，研究方向：控制與優化、水利技術。