無人機電池智能維護系統(tǒng)設計

王 星，杜春平，夏騰輝，王 高，鄒茂雨

（1.國家電網湖北省電力有限公司通山縣供電公司，湖北 通山 437600；2.桂林航天工業(yè)學院工程綜合訓練中心，廣西 桂林 541004；3.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004；4.桂林航天工業(yè)學院計算機科學與工程學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

無人機的價值在于形成空中平臺能結合其他部件擴展應用，替代人類完成空中作業(yè)[1]。無人機也越來越普及，如“大疆”系列的無人航拍飛行器及其他企業(yè)的飛行器等[2]。無人機發(fā)展迅速，但存在一個很大的缺點，續(xù)航短[3]；無人機飛行的動力來自蓄電池，受限于已有的電池技術，電池的體積比重相對比較大，一塊小小的電池比同體積的其他物體重好幾倍。電池不能做得很大，因此，一塊電池能為無人飛機提供的電能是有限的，在使用時需備有多塊電池[4]。有經驗的操控者也會忘記對電池的維護，導致電池在放置一段時間后性能下降或者出現不能使用的情況。本文的電池智能維護系統(tǒng)可以幫助用戶、高校實驗室及其他機構實驗室智能維護電池，降低電池報廢率和保護工作環(huán)境等。

1 無人機電池智能維護系統(tǒng)整體方案

無人機電池的智能維護系統(tǒng)分為結構系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，結構系統(tǒng)如圖1 所示。左邊為電池放電區(qū)域和繼電器控制區(qū)域，右邊為電池充電區(qū)、單片機主控區(qū)、屏幕顯示區(qū)和語音提示區(qū)[5]。電池放電區(qū)包含一個33 Ω10 W的電阻、散熱片和散熱風扇，這個組成可以讓電池在放電維護中放電電阻溫度處于一個正常的范圍。電池充電區(qū)放置了一塊LM2596 模塊和電池充電穩(wěn)壓電路，分別為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的充電電壓和穩(wěn)定電池的單片電壓。單片機主控區(qū)域放置了一塊STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)，負責為系統(tǒng)提供控制信號和處理傳感器獲取的數據。屏幕顯示區(qū)放置了一塊0.96 寸的OLED 屏幕，顯示系統(tǒng)的各項數據和電池的狀況。語音提示區(qū)域放置了一個喇叭為系統(tǒng)提供語音提示。

圖1 結構系統(tǒng)整體

無人機電池智能維護控制系統(tǒng)設計方案如圖2 所示。系統(tǒng)整體由電源模塊、主控模塊、顯示模塊、電池電壓測量模塊、溫度檢測模塊、提示模塊、放電散熱模塊和外部控制模塊組成[6]。

圖2 控制系統(tǒng)設計方案整體

電源部分是整個系統(tǒng)的心臟，主要由恒壓及恒流源模塊、降壓模塊和穩(wěn)壓模塊構成，為系統(tǒng)各個模塊提供電源[7]。單片機主控為一塊STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)，負責為系統(tǒng)提供控制信號和處理傳感器獲取的數據；顯示模塊采用的是一塊0.96 英寸的OLED 的屏幕，可以顯示系統(tǒng)溫度和電池電壓的各項數據信息；測量模塊采用單片機內置的ADC 模數轉換器實現對電池電壓數據的測量；檢測模塊采用比較常規(guī)的DS18B20 溫度傳感器對電池溫度、放電溫度和環(huán)境溫度進行測量；外部控制模塊由繼電器組成，主要對電池的充電和放電進行控制；提示模塊為JQ8400 語音模塊，主要為系統(tǒng)提供系統(tǒng)溫度異常和電池電壓異常報警音；放電散熱模塊由功率10 W 的放電電阻、散熱風扇和40 mm×40 mm 的散熱片組成，通過散熱片和風扇有效地保證了電池放電散熱在一個正常的溫度范圍[8]。

1.1 電源模塊

電源部分是整個系統(tǒng)的心臟，主要由恒壓及恒流源模塊、降壓模塊和穩(wěn)壓模塊構成。系統(tǒng)恒壓及恒流源模塊由型號S-75-24 開關可調電源模塊構成，輸入為交流220 V，輸出為24 V，實物圖如圖3（a）所示；LM2596 模塊電路，有很寬的電壓輸入范圍和很寬的輸出電壓范圍，帶負載能力強，具體電路如圖3（b）所示；LM7805 模塊電路的輸出電壓穩(wěn)定為5 V，輸出電流的最大電流為1.5 A，具體電路如圖3（c）所示。

圖3 電源模塊

1.2 顯示模塊

OLED 顯示模塊具有不需要背光源、對比度高、厚度薄、反應速度快、溫度范圍廣、適用范圍廣以及功耗低等特點，OLED12864 顯示模塊具有以上的所有特點，但也有顏色單一、一行只能顯示8 個漢字或者16 個英文或數字的局限性；模塊的有很多重針腳封裝，常見的有6腳、7 腳SPI 總線的封裝和4 腳的通過I2C 總線的封裝，其中4 腳I2C 總線的模塊1 號陣腳為公共地端，2 號引腳為電源端口可以輸入3.3 V 或者5 V 的電壓，3 號引腳和4 號引腳為總線引腳，工作溫度范圍為0 ～60 ℃，模塊如圖4（a）所示。

1.3 檢測模塊

系統(tǒng)檢測部分主要為溫度傳感器檢測電池溫度、環(huán)境溫度以及檢測由放電電阻、風扇和散熱片組成的散熱系統(tǒng)的溫度。

DS18B20 測溫傳感器是應用廣泛的傳感器，其電路結構簡單、硬件成本低、體積小、抗干擾能力強、可以根據不同的應用場合改變封裝等等，可以檢測-55℃～125 ℃的溫度值，精度為0.0625 ℃，模塊比較簡單，模塊電路圖如圖4（b）所示。

1.4 測量模塊

測量外部電池電壓是系統(tǒng)設計中最重要的部分之一，常用的測量外部電壓模擬信號的傳感器有PCF 8591AD/DA 轉換芯片、XPT2046 AD/DA 轉換芯片和單片機芯片集成的AD/DA 等。

單片機自帶的ADC 數模轉換控制器最大支持輸入的電壓為3.3 V，而實際要測量的電池總電壓以及電池單片電壓都超過單片機ADC 控制器的能力，因此需要外部分壓電路來實現對電池電壓信號的測量。外部分壓電路很簡單，有兩個電阻組成，兩個電阻共同對輸入的電池電壓進行分壓，單片機IO 口接在其中一個較小的電阻上，具體電路如圖4（c）所示。

1.5 外部控制模塊

系統(tǒng)的外部控制部分主要由繼電器開關模塊和充電管理模塊電路構成；主控單片機通過繼電器開關控制充電管理模塊電路通電還是斷電也意味著是否對電池進行充電，控制著外部電池放電電路以及散熱風扇的開啟和關閉。繼電器的控制電路組成非常簡單，電路如圖4（d）所示。

1.6 提示模塊

提示部分是系統(tǒng)設計中用戶交互的重要部分；硬件電路采用蜂鳴器模塊電路，其主要為系統(tǒng)提供系統(tǒng)溫度異常和電池電壓異常報警音；JQ8400 語音提示模塊主要為用戶提示各個界面的操作以及功能，增加系統(tǒng)使用的舒適性和增進用戶的使用體驗。JQ8400 模塊如圖4（e）所示。

圖4 模塊組成

1.7 放電散熱模塊

放電散熱部分是系統(tǒng)電池智能放電維護的核心，其結構很簡單，主要由功率10 W 的放電電阻、散熱風扇和40 mm×40 mm 的散熱片組成，其中功率為10 W 阻值為33 Ω 的電阻在3 s 鋰電池放電的情況下，電阻上的消耗功率在5 W 左右，通過散熱片和風扇有效地保證了電池放電散熱在一個正常的溫度范圍，模塊簡圖如圖4（f）所示。

2 軟件設計

系統(tǒng)功能設計主要包括OLED 顯示設計、計時設計、電池電壓測量設計、溫度測量設計、語音播報設計和界面設計等等，程序具體運行的流程圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3 測試與分析

供電模塊、OLED 顯示模塊、外部控制模塊、放電模塊、充電管理模塊和語音提示模塊共同組成了電池智能維護系統(tǒng)，系統(tǒng)的整個硬件模塊如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)實物整體

3.1 實物測試

系統(tǒng)開機經初始化后進入歡迎界面，屏幕會顯示“歡迎使用無人機電池智能維護系統(tǒng)”，同時會有語音提示“歡迎使用無人機電池智能維護系統(tǒng)”，如圖7（a）所示。歡迎界面過后進入系統(tǒng)狀態(tài)判斷界面，主控會對采集到的電池電壓和電池溫度進行判斷，屏幕顯示電池電壓和電池溫度狀態(tài)是否正常，語音模塊會對電池狀態(tài)正常和異常進行提示，如圖7（b）所示。在電池各項狀態(tài)正常后，系統(tǒng)進入各項維護參數設定界面，語音模塊會提示可以通過按鍵對自動維護時間、放電溫度和放電最低電壓閾值進行設定，屏幕界面如圖7（c）所示。在完成各項參數的設置后，系統(tǒng)會對保存設置的各項參數進行保存，之后進入電池參數展示界面，如圖7（d）所示。20 s 后自動進入電池單片電壓展示界面，如圖7（e）所示。在20 s后進入系統(tǒng)各項溫度展示界面，展示環(huán)境溫度、電池溫度和放電溫度，如圖7（f）所示。

最后進入功能選擇界面，可以通過按鍵選擇充電維護還是放電維護，同時語音模塊會進行相應的語音提示，如果1 min 內沒有操作則自動進入放電維護，如圖7（g）所示。如果按鍵一按下則進入充電維護界面，展示電池當前電壓、電池充電溫度、環(huán)境溫度和電池每片電壓，如圖7（h）所示。系統(tǒng)進入電池充電維護后，主控通過外部控制繼電器接通了外部電源和電池，電池便開始進行充電維護。待電池電壓達到滿電電壓后會經過3 次判斷，如果電池電壓還是接近滿電電壓，語音模塊會提示電池充電維護完成，系統(tǒng)進入充電維護完成界面，如圖7（i）所示。如果按鍵二按下則進入放電維護界面，顯示電池當前電壓、電池放電溫度、散熱電阻溫度和電池每片電壓，如圖7（j）所示。系統(tǒng)進入電池放電維護后，主控通過外部控制繼電器接通了放電電阻和電池，電池便開始進行放電維護，待電池電壓達到設定的維護電壓并經過3 次判斷后，如果電池電壓還是接近設定的維護電壓，語音模塊會提示電池充電維護完成，系統(tǒng)進入充電維護完成界面，如圖7（k）所示。

圖7 實物測試分布

3.2 測試與分析

在電池電壓的測量上，單片機測量的電池電壓會存在一個浮動的電壓值，測量的電壓值與實際的電壓值會存在一個誤差，偏差在0.03 V 左右，如圖8 所示。

圖8 電池總電壓比較圖

由散點圖可以明顯看出測量與實際之間有一個明顯的波動，如圖9 所示。在經過多次電池電壓測量數據和單片機測量電壓取平均值后，可以明顯看到實際測量的平均值為12.408 5 V，單片機測量的平均值為12.392 5 V，兩者之間存在0.016 V 的偏差，由誤差取均值可以看出誤差均值為0.031 V。這個電壓誤差可能跟電阻阻值測量所產生的誤差有關，此電壓誤差可通過軟件編程進一步降低。

圖9 電壓數據分析圖

在電池單片電壓的測量過程中，有時會因中間電池電壓測量偏小而顯示不準確，如圖10 所示；中間單片電池電壓偏小是由最后一片電池電壓測量存在較大誤差造成的，在軟件中適當的增大對第三片電池電壓測量的次數可以降低此誤差。

圖10 電池單片電壓測量

4 結論

通過結構、軟件和硬件設計完成了無人機電池智能維護系統(tǒng)實物設計，并通過了相關指標測試，實現了對無人機電池電壓及電量、系統(tǒng)溫度、電池溫度、放電散熱溫度的測量以及電池充放電檢測，通過按鍵選擇充電維護還是放電維護，同時語音模塊會進行相應的提示，實現了無人機智能維護系統(tǒng)的各項功能，完成了對無人機電池的智能維護。