中小型太陽能無人機航電系統設計

賀文哲

摘 要：由于具有廣闊的應用前景，高空長航時太陽能無人機引起了研究人員的廣泛關注。綜合航電系統設計是太陽能無人機研制的關鍵技術之一。該文基于航電技術發展現狀，結合太陽能無人機自身特點，提出了一種中小型太陽能無人機航電系統設計方案，對能源、飛控、測控、載荷各子系統進行了相關設計，并探討了電磁兼容與系統測試的相關問題。

關鍵詞：太陽能無人機 航電 飛控

中圖分類號：V27 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）01（a）-0013-03

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）作為一種非接觸性戰斗工具，已經在現代戰爭中發揮了重要作用。太陽能無人機利用光伏電池將太陽能轉化為電能，通過電動機驅動螺旋槳產生飛行動力。白天，太陽能無人機吸收太陽光輻射能轉換為電能，維持動力系統、航空電子設備和有效載荷的運行，同時給機載二次電源充電；夜間，太陽能無人機釋放二次電源中儲存的電能，維持整個系統的正常運行。如果白天儲存的能量能滿足夜間飛行的需要，則太陽能無人機理論上可以實現“永久”飛行[1]。

太陽能無人機的研發涉及學科眾多，包括總體、結構、能源、航電等[2]。航電系統作為無人機的關鍵系統，為無人機提供必需的能源，管理和控制無人機的自主飛行，完成對無人機的導航、制導和控制，確保無人機按照預定的航線準確、穩定、可靠地飛行并執行各種特定的任務。太陽能無人機航電系統設計應結合其自身特點，在充分利用循環能源的同時，引入模塊化設計思想，增加其可靠性與可擴展性。

該文立足于中小型無人機航電系統發展現狀，結合太陽能無人機總體設計要求，設計了具備自主起降、自主巡航、自主執行任務、手動與自主控制切換、實時圖像傳輸等功能的綜合化、模塊化航電系統，并探討了系統電磁兼容與聯合調試過程中的關鍵問題。

1 航電系統設計方案

1.1 航電系統總體設計

太陽能無人機綜合航電系統需實現的功能包括：測量無人機當前飛行狀態；通過控制作動設備完成手動或自主飛行；通過控制任務載荷完成特定任務。根據其功能性的不同，可將航電系統分為4個子系統：能源子系統、飛控子系統、測控子系統、載荷子系統[3]。其中，能源子系統為所有機載設備提供所需電力；飛控子系統根據機載傳感器所提供的測量數據，利用飛行控制算法解算執行機構當前所需控制量，可完成無人機的自主飛行和遙控飛行；測控子系統可實現地面人員對無人機航路的實時規劃和對無人機當前狀態的實時觀測，并可提供圖像的實時傳輸；任務載荷可根據具體任務進行選配。

1.2 能源子系統設計

太陽能電池的加入使得太陽能無人機能源子系統的構成比其他類型無人機更復雜。如圖1所示，其主要由太陽能電池陣、鋰電池、MPPT模塊、電源模塊和能源采集器構成。

太陽能電池陣是太陽能飛機的主要能量來源，該文將太陽能電池陣布置于無人機機翼上表面。太陽能電池各片之間采取串聯方式，并兼顧走線方便的原則。飛機左側機翼的太陽能電池片連接與其完全相同。最終，兩路太陽能電池陣并聯成圖1中的太陽能電池陣。

MPPT（Maximum Power Point Tracking）控制器用以協調太陽能電池板、蓄電池與負載的工作。MPPT通過實時偵測太陽能板的發電電壓，追蹤最高電壓電流值，使系統以最大功率輸出，在為用電設備供電的同時為蓄電池充電。能源采集器可采集4個電流傳感器、兩個電壓傳感器的測量數據，并發送給飛控計算機，用于監測系統各支路的電壓電流狀態。不同電子設備的供電需求不同，需要通過電源模塊將MPPT中輸出的32 V電壓轉化為電子設備所需的16 V/12 V/5 V電壓。

1.3 飛控子系統設計

飛控子系統組成如圖2所示，主要包括飛行控制與管理計算機、傳感器組、作動設備以及地面站設備，其中作動設備兼容小型無人機常用的模型舵機。

飛行控制與管理計算機基于STM32單片機平臺自主研發，最多可支持10路PWM波信號輸出；通過RS232串行口與測控系統通信，從而實現與地面站之間的數據傳輸；集成多路外部接口（RS232、RS422、CAN總線），便于實現飛控系統的模塊化擴展；采用集成、模塊化設計思路，將主控CPU、外圍電路以及供電控制繼電器等集成在一個殼體內，對外采用統一接口航插。

飛行控制與管理計算機內部采用先進的非線性控制算法，對飛行器的縱向、橫向、側向3個通道進行穩定和解耦控制。在保證無人機飛行航向正確、姿態穩定（此功能可有效提高飛行器抗風能力）的同時，實現高精度航跡和高度控制；引入自適應控制技術，可以自動適應風場擾動；此外，還可以對攝像云臺進行增穩控制，在飛行器姿態波動時，自動控制云臺機構進行運動補償，從而使攝像鏡頭始終保持固定角度，有效提升無人機獲取圖像情報的質量。

1.4 測控子系統設計

測控子系統提供地面人員與無人機之間的通信橋梁，此外還提供視頻傳輸帶寬以滿足航測與偵查的任務需求。測控子系統采用應用了單載波頻域均衡（SC-FDE）技術的視頻采集雙向收發設備：即在實現無人機到地面視頻/遙測數據實時傳輸的同時，完成地面站遙控數據向無人機的上行傳輸。系統配備高清編碼器與解碼器，將高清攝像頭拍攝畫面進行壓縮傳輸，可支持720 p/1080 p高清視頻圖像傳輸；此外，系統采用一體化設計，只使用單根天線，容易安裝；無線通信使用340 MHz一個頻段，降低了和機上其他設備互相干擾的概率，也有利于無人機的電磁兼容。

1.5 載荷子系統設計

載荷子系統需根據太陽能無人機具體的應用場景進行設計。其可搭載載荷包括但不限于高清攝像機、多光譜光電吊艙、通信中繼基站、WIFI信號發射機及其他特種任務載荷。中小型太陽能無人機有效載荷往往較小，翼展4～10 m的太陽能無人機載荷能力在3～10 kg左右。因此，中小型太陽能無人機常見載荷主要為小型高清攝像機。該文采用重量為136 g的GoPro攝像機搭配三軸云臺作為有效載荷；可拍攝1080 P高清圖像，并通過測控鏈路實時回傳。云臺控制接口為PWM方波，因此利用自主研制的飛行控制與管理計算機對其進行控制。

2 電磁兼容設計

大部分太陽能無人機結構簡單，不具備單獨的設備艙，航電設備需布置于細長的機身主梁周圍。在狹小的空間中集成大量的電子設備極易引起彼此間的電磁干擾。而且，太陽能無人機執行機構控制為PWM方波，極易受到干擾，引起跳舵，影響飛行性能和飛行安全。因此，在太陽能無人機航電系統設計過程中應充分考慮電磁兼容要求。電子設備盡可能減少非工作頻率的發射，以建立較低場強的電磁環境。同時要求電子設備在低于某一標準電平的電磁環境中不受干擾，正常工作。

太陽能無人機航電設備眾多，需要大量的供電線與信號線交錯。在航電設備安裝時，所有設備均應合理接地；設備走線應避免強電線與弱電線并行；所有的信號線與航插均應采用屏蔽設計，且在接口處應包裹屏蔽膜。在進行試飛之前，應對航電系統進行充分的全系統電磁兼容測試，包括自兼容與外部干擾兼容等。

3 航電系統調試

航電系統包含設備數量和種類較多，在所有設備共同工作時容易出現個別部件的性能下降甚至失靈。如何發現并解決此類現象，是航電系統調試應關注的重點問題。太陽能無人機航電系統調試應采取由點及面的形式進行，調試過程按以下步驟進行。

（1）測試MPPT模塊與能源采集器功能、測量太陽能電池陣與鋰電池電壓、測量電源模塊輸入輸出電壓。

（2）連接導航系統，利用機載能源系統為機載計算機供電，使用線纜接入地面站軟件，測試機載計算機是否工作正常，移動導航設備，觀察導航數據變化是否正常。

（3）接入作動設備（舵機、云臺、電調等），使用遙控模式測試各作動設備是否正常；切換至自主模式，移動導航設備，觀察各作動機構是否按預定邏輯進行作動。

（4）接入測控設備，測試數據傳輸是否正常；接入攝像機，測試圖像傳輸是否正常。

（5）進行全機聯試，測試航電系統電磁兼容性能。

（6）進行長時考機與能源循環測試。

（7）進行試飛試驗與飛行控制參數整定。

4 結語

該文提出了一種基于當前航電技術發展水平的中小型太陽能無人機綜合航電技術方案，完成了航電系統總體設計以及能源子系統、飛控子系統、測控子系統、載荷子系統的設計，并探討了航電系統的電磁兼容問題和系統調試問題，提出了相應的解決方案。在考慮利用太陽能循環能源的基礎上，將模塊化思想引入中小型太陽能無人機航電系統設計，有助于提高其可擴展性與可靠性。該文提出的相關方案對該類型的航電系統設計具有一定的參考價值，后續可進行太陽能無人機試飛驗證與應用場景研究。

參考文獻

[1] Gao X Z，Hou Z X，Guo Z， et al.Reviews of methods to extract and store energy for solar-powered aircraft[J].Renewable & Sustainable Energy Reviews，2015（44）：96-108.

[2] 高廣林，李占科，宋筆鋒，等.太陽能無人機關鍵技術分析[J].飛行力學，2010，28（1）：1-4.

[3] 王爾申，張芝賢，雷虹，等.復合材料無人機航電系統的改進設計[J].電訊技術，2012，52（9）：1422-1426.