四軸飛行器無線供電系統設計

王亞川 楊艷 韓亮 盛東偉

摘 要：設計了一種四軸飛行器無線供電系統。該系統通過應用電磁感應原理，使線圈進行能量耦合，從而實現能量的傳遞。該系統不但為飛行器飛行中途充電，增加飛行器續航和負載，而且還可以實現在太陽能發電冗余條件下，為飛行器緊急充電。實驗結果表明，該系統為提高充電的能量傳輸效率提供了一種可靠的解決方案。

關鍵詞：四軸飛行器 無線供電 電磁感應 太陽能發電

中圖分類號：V24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（c）-0094-03

Abstract：The wireless power supply system of four axis aircraft is designed. Based on principle of electromagnetic after energies of coil are forced to be coupled energies transmission will be realized. The system will charge the aircraft will be charged during flight and vehicles endurance and load will be increased by the wireless power supply system. Also， redundant solar power will charge for system in case of emergency. The simulation proved that a reliable solution is provided by the designed system of quadcopter.

Key Words：Four axis aircraft； Wireless power supply； Electromagnetic induction； Solar power generation

目前，無線充電技術已經在手機、電動牙刷等智能電子產品上廣泛使用，并正在電動汽車領域開展深入應用[1]。無線充電的弊端在于，充電速度慢，如果充電時間更快，那么無線充電技術將會極大地幫助飛行器進行長途飛行。本文所設計的飛行器無線供電系統，將在一定程度上緩解續航不足的狀況。

本文所設計的充電系統實現將電能到磁能的轉換后，再將磁能轉換成電能，無線充電系統部分可實面在無人機停止時，對飛行器進行無線充電，提供即充即飛的條件。在太陽能充電系統部分，設計了一種基于單片機的太陽能充電裝置，在飛行器飛行時，給其電池充電。所設計的系統在能量消耗達到最小，而獲得最大的電能傳輸效率。

1 系統總體方案

系統總體結構由兩部分構成：（1）電磁感應無線充電系統；（2）太陽能充電系統。設計的硬件電磁感應無線充電系統由圖1所示，由NE555D脈沖發生器電路、功率放大及無線發射電路、感應線圈電路、充電檢測電路組成。設計的硬件太陽能充電系統框圖2如下所示，由太陽能電源系統電路、單片機最小系統模塊、充電電路組成。

1.1 電磁感應充電系統功能

無線充電系統應用電磁感應原理。本系統通過NE555D芯片產生一個36.7K的脈沖頻率，通過IRFP460進行功率放大，電流流過發射線圈，使線圈產生一個磁場，當接收線圈靠近時，產生感應電動勢，產生電流，經過全波整流和穩壓，得到電池所需要的充電電壓和電流[2]。發射線圈流過的電流會隨著感應電動勢的增加而增大，通過運算放大電路把0.33Ω的負載電壓23倍放大，再通過1N4148整流濾波得到電壓U1與基準源U0比較，經測算該電磁感應系統充電效率大約在80%。

1.2 太陽能充電系統功能

1.2.1 太陽能電源系統

太陽能電源系統主要由太陽能發電板、充放電控制器和鋰電池組成，如圖3所示。

太陽能電源系統的作用是從太陽能電池板上收集太陽光能量，將太陽能轉換成直流電能，再把轉化后的電能經充放電控制器存儲在鋰電池中，并通過鋰電池給整個飛行器控制系統供電[3]。

1.2.2 單片機控制系統

單片機控制系統主要由單片機最小系統模塊、掉電存儲電路、光照控制電路、定時控制電路和電源電路組成，如圖4所示。

單片機控制系統的作用是使用光照控制電路和定時控制電路輸入控制信號，通過液晶顯示器顯示系統相關信息，利用單片機輸出信號控制恒流驅動電路，實現鋰電池充電的自動開關[4-5]。

2 軟件設計

對于一個單片機控制系統來說，無論系統規模大小都需要對單片機進行編程控制，因此程序設計也是系統設計的重要工作之一。程序編寫的主要步驟有如下三點：

（1）首先要根據系統所要實現的功能進行系統功能框圖設計，然后根據功能關系進行各組成模塊的功能框圖設計。

（2）根據系統功能框圖和模塊功能框圖，設計相應的程序流程圖。在設計流程圖時要周密規劃，因為流程圖的工作流程就是程序的工作步驟，流程圖是否合理直接影響程序調試能否成功。

（3）根據相應的程序流程圖來編寫程序文件。本系統的程序流程圖，如圖5所示。

3 實驗測試結果

以5600mAh鋰電池測算，通過安時效率公式：充電效率=（放電電流×放電至截止電壓的時間）÷（充電電流×充電時間）×100%，經過實驗對系統進行多次仿真測試。結果如表1所示，表明電磁感應供電系統的能量傳輸效率在80%左右，太陽能發電系統能量傳輸效率約為15%。

4 結語

本文主要設計了一種四軸飛行器無線供電系統。其硬件部分包括NE555D脈沖發生器電路、功率放大及無線發射電路、感應線圈電路、充電檢測電路、陽能電源系統電路、單片機最小系統模塊和充電電路。通過實驗對系統進行多次仿真測試。結果表明，電磁感應供電系統的能量傳輸效率在80%左右，太陽能發電系統能量傳輸效率約為15%。該系統設計能一定程度緩解四軸飛行器電池續航不足的短板，但是需要完全滿足飛行器的供電需求，還需要繼續開發、測試更高效的能量傳輸裝置。

參考文獻

[1] 佚名.帝國理工學院開發出無人機無線供電技術[J].軍民兩用技術與產品，2016（21）：15.

[2] 余孟嘗.數字電子技術基礎簡明教程[M].3版.北京：高等教育出版社，2006.

[3] 張曉光.12V太陽能電源控制器[J].電子制作，2006（9）： 12-14.

[4] 李曉玲.單片機原理與接口技術[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[5] 李全利.單片機原理及應用（C51編程）（M].北京：高等教育出版社，2012.

[6] 杜樹春.單片機應用系統開發實例詳解[M].北京：機械工業出版社，2008.