試論旋翼無人機自主充電系統設計

陳鳴

廣東電網有限責任公司惠州供電局 廣東 惠州 516000

旋翼無人機主要指的是依靠螺旋槳快速旋轉，進而為整體機身提供強大基礎動能的飛行設備，在日常運轉和工作中可以根據無人機旋翼整體數量分為多旋翼無人機設備以及單項旋翼無人機設備兩種。在實際操作過程中，旋翼無人機設備自身重量相對較輕，并且整體體積較小，通過技術操作后，可以有效完成設備起飛、降落、懸停等多種飛行模式和設備運轉狀態，并且其設備還可以通過飛行速度的調節，實現精準地區飛行，極易適合在復雜且多變的外部環境以及空間較小的區域開展工作。

1 旋翼無人機運行原理

在旋翼無人機日常運轉和飛行軌跡中，可以明顯觀察出，其設備運行模式處于自由狀態下，圍繞鋼體軸向運行和平行運動。所以在日常方案設計過程中，需要將兩種系統控制回路進行分別處理，以此有效控制兩種運動方式。

1.1 內環控制系統

旋翼無人機在日常運行方式的控制上，主要通過三個獨立的運行軌道以及三個對應姿態角度，比如：航線偏移角度、橫向滾動角度以及設備仰視角度等，并且受到設備耦合狀態影響，每一個信息通道所控制的數據信號會對其他控制渠道產生一定程度影響，但是三者相互之間的影響并不嚴重[1]。在設備開始操作時，需要技術人員預先輸入設備運轉信號三種姿態角度預期數值，以此有效控制無人機運行軌跡和模式。而預期數值與實際姿態角度產生數值如果產生信息誤差后，需要依靠耦合技術進行全面轉化，再輸入主控制設備中。其中耦合轉化的主要目的是為了將地面主要信息坐標誤差信息轉移至無人機內部坐標結構體系中，并且同時將經過耦合技術處理后的誤差數據同樣傳輸至無人機內部控制區域，最終得出控制指令，進而有效傳送至設備各個區域，以此實現實時調整無人機運行狀態，實現整個設備內部結構體系的閉環流程。而在實際萬余人及操作過程中，為了得到更高的控制質量和水平，無人機內部系統需要更快的控制速度、更強的抗擊干擾實力。所以通常研發團隊使用運行角度、運行角速度串級模式，以此作為無人機姿態內環控制系統中主要運轉模式和計劃，以此完成其系統控制作用。

1.2 外環控制系統

旋翼無人機在運行位置方面上的控制主要包含水平位置控制以及垂直位置控制，以上兩個控制流程需要相互獨立，但是同樣需要互相協作。其中設備水平位置的控制模式主要使用位置外環控制模式、速度外環控制模式以及姿態外環控制模式等三個級別的控制系統。而位置外環PID系統需要將預先期望位置與無人機實際運轉位置所產生的數據偏差進行技術處理，隨后得到無人機運行預期速度數據，隨后根據其預期速度數據所得到的信息偏差得出在橫向翻滾角度以及設備俯視角度等不同姿態下，控制設備對于無人機的不同形態進行有效姿態控制。同時根據以上外環控制系統進行詳細分析，最終得出相關結論：無人機在水平方向進行行駛時，其位置控制需要依靠姿態角度實現，從本質上看，無人機在水平位置上系統控制的本質，主要通過旋翼無人機實際運行高度數據所決定。然而與水平位置控制模式不同的是，其高度數據控制并不會產生姿態角度變化，即使出現高度偏差數值也會直接傳送至無人機內部結構中的分配設備進行電機數據輸出[2]。

2 旋翼無人機自主充電系統設計

2.1 自主飛行系統方案設計

現階段我國大部分旋翼無人機在自主飛行系統方案設計中，主要采用DJI系統結構的N3飛行控制模式，加上DJI系統主要飛行和控制模式并沒有開源系統，所以為了進一步進行技術開發，DJI系統為無人機內部系統提供了基于API區域接口等多種技術優化和開發模式，其中包含MOBILE SDK模式、UX SDK模式、PAYLOAD SDK模式等。而無人機依靠以上系統，有效實現了基礎功能的技術研發。針對目前我國無人機使用現狀，本次試驗將使用ONBOARD SDK模式，開展無人機自主飛行功能優化和管理。尤其在系統方案設計中，需要以DJI Onboard SDK模式作為基礎控制方式，并且根據系統數據進行詳細計算，進一步認識和了解Onboard SDK模式的控制方式和管理機制。但是由于DJI系統下的飛行控制計算方式不屬于開源模式，所以技術人員不能使用開源數據代碼控制無人機姿態角度或者姿態角度速度等，完成其位置的控制和軌跡引導。

2.2 自主電量系統方案設計

在無人機自主電量系統方案設計環節中，電量儲存設備一般選擇鋰離子電池模式，但是其結構通常由電池正極、電池負極、電池隔膜以及內部電解物質所構成。所以鋰電池物質中，充電與放電工作需要依靠電池內部鋰離子物質，從電池正極、負極內部脫嵌和嵌入完成[3]。當鋰離子電池開啟充電狀態時，鋰離子物質從電池的正極脫嵌，隨后通過內部結構進行傳輸，直至嵌入負極區域。同時當鋰離子電池開啟放電狀態后，鋰離子物質從電池內部的負極脫嵌，隨著電池內部結構完全嵌入正極區域。鋰離子電池自身的充電和放電流程相對比較復雜，其中鋰離子在實際充電和放電過程中，會涉及的數據變量相對較多，比如：電池正極、負極的外部板材材質、電解物質的內部物質濃度、電池外部環境溫度等各個方面因素，都會影響電池整體可承受的最大程度，進而影響其使用壽命。

3 結束語

由此可見，近幾年，旋翼無人機無論是技術水平還是行業發展，速度十分迅速，在電力檢測、農村植物保護以及航空拍攝等方面都存在著廣泛的應用。一定程度上也暴露出其設備內部結構和電力續航方面不足和問題。由于電池發展水平以及經濟成本的約束和限制，造成大部分無人機無法實現長時間的拍攝和運轉，并且使用人工更換電池效率和質量無法達到標準要求。