自發電仿生風箏系統研究

王子涵，丁文斌，徐伊可，鮑潤成，李金偉，張 鑫，2*，馬國利，2

（1.濱州學院 航空工程學院，山東 濱州 256600；2.山東省航空材料與器件工程技術研究中心，山東 濱州 256600）

無人機在日常生活與軍事領域的應用相當廣泛，例如日常檢測、邊境偵查和航空測繪等。但無人機存在續航時間短、偽裝效果不佳等問題。為解決該問題，結合風箏發電設計了自發電仿生風箏系統，風箏在空中飛行時利用風能與太陽能發電，并不間斷地提供給風箏上的任務載荷，進行長時間的工作，同時借助風箏的長久駐空能力，完成相應的檢測、偵察等任務，例如信息偵查、地形勘察和圖像傳感等。結合仿生技術，使風箏能夠在空中實現隱蔽偽裝。在測試中，風箏達到一定空中高度就可穩定飛行，不需要人為長時間操作，便可在地面一直讀取檢測的數據，做到實時、不間斷和長時間監測偵察。同時，又充分地利用了清潔能源，達到了節能減排的效果。

1 總體方案設計

本設計基于仿生空中無人偵察監測系統，通過利用無人飛行器上的相關裝置，研究一款在高空利用風能進行發電并進行相關任務的風箏裝置。利用風箏作為載體，合理地搭載發電系統與機載檢測設備，進行空中作業。該裝置通過STC89C52 單片機芯片實時檢測各個供電支路的電能狀態數據，根據所處環境條件來選擇不同的發電方式。風能發電供電裝置，包括扇葉、對風裝置、傳動裝置和發電機，搭配太陽能電池板，保證電能的持續供給。優化風箏結構，使風箏平穩飛行且發電裝置穩定發電，提高風能利用率。通過發電設備，源源不斷地將電能輸送給單片機、攝像頭和傳感器等任務載荷，在空中完成相應操作任務。自發電仿生風箏系統不僅能在空中充分利用清潔能源發電，并且還能提供給機載裝置使其各設備進行工作，對地對空進行長時間偵擦與檢測。利用該系統續航時間長、自主供能和偽裝便捷等特點，在邊境等地區實現監測偵察等任務，尤其在軍事上具備廣泛的應用前景。

在測試中，風箏在空中達到一定高度就可穩定飛行，不需要人為長時間操作，便可在地面一直讀取檢測的數據，做到不間斷檢測。在不間斷檢測的同時，又充分地利用了清潔能源，達到了節能減排的效果。解決風箏的穩定性是一難題，風箏的空中搖晃會導致地面接收數據不穩定，所以風箏在空中平穩尤為重要，為保證信號的傳輸，必須采用平穩性強，受風波動影響小的風箏。同時為保證風箏的偽裝效果，要盡可能減小風箏大小，但減小風箏蒙面面積必然影響風箏迎風面積，導致風箏穩定性下降，操控難度上升。對此，應盡量對風箏外表偽裝進行改進，使用與監測區域環境相融合的顏色對風箏進行偽裝，例如天空晴朗，可以利用藍色與白色進行偽裝，也可采用透明復合材料設計風箏。為便于對風箏飛行姿態與穩定性觀察，本文中系統載體為顏色較為鮮艷的風箏。根據對風箏飛行姿態與飛行性能的研究，采用三角形風箏飛行性能較好，經濟更加實惠，可適當增大羽翼面積，采用彈性復合纖維做撐桿，來提高風箏的飛行穩定性。

在確保風箏發電效果下，提高偵察能力，可以增加多種檢測裝置，采集更廣泛更精準的數據。隨著任務裝置重量的增加，也應增加載體風箏的受風面積，提高風箏的升力，可采用尼龍綢等輕盈韌性高的材料來做風箏蒙面，來減輕風箏質量。利用風箏作為載體，本設備可以固定在一定范圍內進行長時間作業，解放雙手。利用清潔能源的不間斷供給，不需要更換電池，綠色環保。自發電仿生風箏系統不僅節約了人力物力，更節省時間。并且材料來源廣泛，制作成本低，操作簡單，不需要特殊培訓，也間接節約了成本。檢測裝置不受限制，可根據檢測所需增加相應的設備，沒有固定要求，簡單化的同時實現了多樣化，功能更加豐富，如圖1 所示。

圖1 自發電仿生風箏系統總體設計框圖

2 發電系統設計

發電裝置由風力發電裝置和太陽能發電裝置組成。風力發電裝置由水平風力發電機與垂直風力發電機組成，發電壓范圍在0～24 V，實驗最大功率達到80 W，最大電流達到200 mA。太陽能發電裝置由兩塊太陽能電池板組成，最大電壓12 V；最大發電功率4 W；最大發電電流334 mA。總發電裝置最大發電電流534 mA，通過升壓模塊，最大輸出電壓48 V；效率大于93%。繼電器是一種電子控制器件，其具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，其實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護和轉換電路等作用。繼電器起到對蓄電池過沖保護作用，保護電池。LM2596S 帶數表顯示降壓穩壓電源模塊：輸入電壓2.5～35 V；輸出電顯壓1.25～35 V；輸出電流3 A；轉換效率92%。將電壓降壓穩壓后輸入單片機使任務載荷工作，如圖2 所示。

3 機載檢測設備

3.1 控制核心

以STC89C52 單片機作為控制核心。STC89C52 單片機是一款基于8 位處理芯片的系統。芯片內集成了通用8 位中央處理器和ISPFlash 存儲單元，具有在系統可編程（ISP）特性，配合PC 端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內部，速度更快。STC89C52 系列單片機是單時鐘/機器周期（1T）的兼容8052 內核單片機，是高速/低功耗的新一代52 單片機，全新的流水線/精簡指令集結構，內部集成MAX810 專用復位電路。單片機是典型的嵌入式微控制器，由運算器、控制器、存儲器和輸入輸出設備等構成，相當于一個微型的計算機，可以控制多個模塊，實現智能化。單片機的最大優點是體積小，可放在儀表內部，成本低，如圖3 所示。

圖3 單片機原理圖

3.2 傳感器監測系統設計

傳感器監測系統以52 單片機作為核心控制器，主要應用傳感器技術、單片機控制技術、串口通信技術、超聲波測距技術和藍牙信號傳輸技術。溫濕度傳感器、紅外檢測模塊和煙霧傳感器作為任務載荷，構成檢測控制系統，該系統可分為主控制電路、液晶顯示接口電路、串口通信接口電路、溫濕度傳感器接口電路和藍牙信號發射電路。使用的主要器件有52 單片機、溫濕度傳感器SHT11、LCD12864 液晶顯示模塊、人體紅外檢測模塊、煙霧傳感器、藍牙發射模塊、圖傳設備和繼電器等。52 單片機整理數據后通過藍牙模塊傳送至地面接收器（手機）。52 單片機系統由微控制器、時鐘電路、復位電路組成，速度快。內部集成MAX810 專用復位電路，2 路PWM（脈沖寬度調制），8f 路高速，10 位A/D 轉換（250 K/S，即25 萬次/秒），針對電機控制，強干擾場合。PM2.5檢測儀采用模數轉換芯片，數據更加精準，價格合適，同時具有斷電自動保存數據功能。有EEPROM 功能，外部中斷I/O 口7 路，傳統的下降沿中斷或低電平觸發斷，并新增加支持上升沿中斷的PCA 模塊，PowerDown 模式可由外部中斷喚醒。通用的全雙工異步串行口，如圖4 所示。

圖4 自發電仿生風箏系統監測系統

4 創新及應用點

通過風箏搭載風力發電裝置、太陽能板和任務載荷，實現風能和太陽能利用與執行相應任務。解決風箏的穩定性是一難題，風箏的空中搖晃導致地面接收數據不穩定，風箏在空中平穩尤為重要，為保證信號的傳輸，必須采用平穩性強、受風影響小的風箏。同時為保證風箏的偽裝效果，應盡可能減小風箏面積，在確保風箏發電效果下，提高偵察能力，因此可以增加多種檢測裝置，采集更廣泛更精準的數據。利用風箏作為載體，本設備可以固定在一定范圍內進行長時間作業，解放雙手，利用清潔能源的不間斷供給，不需要更換電池，綠色環保。本設計不僅節約了人力物力，更節省時間。并且材料來源廣泛，制作成本低，操作簡單，不需要特殊培訓，也間接節約了成本。檢測裝置不受限制，可根據檢測所需，增加相應的設備，沒有固定要求，簡單的同時實現了多樣化，功能更加豐富（如圖5 所示）。

圖5 自發電仿生風箏系統整體實物圖

該自發電仿生風箏系統具有以下優點。

1）選用風箏作為飛行載體，設計自發電自供給的仿生風箏系統，實現了低成本、長時間駐空。

2）材料來源廣泛，成本低；可回收性強，綠色環保。

3）普及性較高，便于偽裝與偵察。

4）操作簡單不需要特殊培訓。

5）采集風能與太陽能轉化為所需的電能，有效利用清潔能源，做到節能減排。

6）應用廣泛，上到軍事科技，下到日常生活。

5 結束語

本文主要闡述了低成本空中長久監測偵察飛行器的設計與實現。該系統在空中長久監測偵察上不同于以往使用的飛行器，在空中充分利用清潔能源，實現設備長久工作，讓監測偵察時間不局限于電池電量，實時監測偵察的數據可無間斷傳輸到地面設施，而且還可根據檢測的需求增加不同的模塊進行監測，得到所需要的數據。采用仿生風箏為空中載具，可以駐空長久飛行。在研究中，設備獲取的信息不間斷地提供給地面，得到完整精確的數據，增強數據的可分析性。該設備能夠對地面和空中進行長時間的監測偵察，解決了監測偵察時間短的難題，具有較高的應用價值。