四轴飞行器无线供电系统设计

王亚川 杨艳 韩亮 盛东伟

摘 要：设计了一种四轴飞行器无线供电系统。该系统通过应用电磁感应原理，使线圈进行能量耦合，从而实现能量的传递。该系统不但为飞行器飞行中途充电，增加飞行器续航和负载，而且还可以实现在太阳能发电冗余条件下，为飞行器紧急充电。实验结果表明，该系统为提高充电的能量传输效率提供了一种可靠的解决方案。

关键词：四轴飞行器 无线供电 电磁感应 太阳能发电

中图分类号：V24 文献标识码：A 文章编号：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，无线充电技术已经在手机、电动牙刷等智能电子产品上广泛使用，并正在电动汽车领域开展深入应用[1]。无线充电的弊端在于，充电速度慢，如果充电时间更快，那么无线充电技术将会极大地帮助飞行器进行长途飞行。本文所设计的飞行器无线供电系统，将在一定程度上缓解续航不足的状况。

本文所设计的充电系统实现将电能到磁能的转换后，再将磁能转换成电能，无线充电系统部分可实面在无人机停止时，对飞行器进行无线充电，提供即充即飞的条件。在太阳能充电系统部分，设计了一种基于单片机的太阳能充电装置，在飞行器飞行时，给其电池充电。所设计的系统在能量消耗达到最小，而获得最大的电能传输效率。

1 系统总体方案

系统总体结构由两部分构成：（1）电磁感应无线充电系统；（2）太阳能充电系统。设计的硬件电磁感应无线充电系统由图1所示，由NE555D脉冲发生器电路、功率放大及无线发射电路、感应线圈电路、充电检测电路组成。设计的硬件太阳能充电系统框图2如下所示，由太阳能电源系统电路、单片机最小系统模块、充电电路组成。

1.1 电磁感应充电系统功能

无线充电系统应用电磁感应原理。本系统通过NE555D芯片产生一个36.7K的脉冲频率，通过IRFP460进行功率放大，电流流过发射线圈，使线圈产生一个磁场，当接收线圈靠近时，产生感应电动势，产生电流，经过全波整流和稳压，得到电池所需要的充电电压和电流[2]。发射线圈流过的电流会随着感应电动势的增加而增大，通过运算放大电路把0.33Ω的负载电压23倍放大，再通过1N4148整流滤波得到电压U1与基准源U0比较，经测算该电磁感应系统充电效率大约在80%。

1.2 太阳能充电系统功能

1.2.1 太阳能电源系统

太阳能电源系统主要由太阳能发电板、充放电控制器和锂电池组成，如图3所示。

太阳能电源系统的作用是从太阳能电池板上收集太阳光能量，将太阳能转换成直流电能，再把转化后的电能经充放电控制器存储在锂电池中，并通过锂电池给整个飞行器控制系统供电[3]。

1.2.2 单片机控制系统

单片机控制系统主要由单片机最小系统模块、掉电存储电路、光照控制电路、定时控制电路和电源电路组成，如图4所示。

单片机控制系统的作用是使用光照控制电路和定时控制电路输入控制信号，通过液晶显示器显示系统相关信息，利用单片机输出信号控制恒流驱动电路，实现锂电池充电的自动开关[4-5]。

2 软件设计

对于一个单片机控制系统来说，无论系统规模大小都需要对单片机进行编程控制，因此程序设计也是系统设计的重要工作之一。程序编写的主要步骤有如下三点：

（1）首先要根据系统所要实现的功能进行系统功能框图设计，然后根据功能关系进行各组成模块的功能框图设计。

（2）根据系统功能框图和模块功能框图，设计相应的程序流程图。在设计流程图时要周密规划，因为流程图的工作流程就是程序的工作步骤，流程图是否合理直接影响程序调试能否成功。

（3）根据相应的程序流程图来编写程序文件。本系统的程序流程图，如图5所示。

3 实验测试结果

以5600mAh锂电池测算，通过安时效率公式：充电效率=（放电电流×放电至截止电压的时间）÷（充电电流×充电时间）×100%，经过实验对系统进行多次仿真測试。结果如表1所示，表明电磁感应供电系统的能量传输效率在80%左右，太阳能发电系统能量传输效率约为15%。

4 结语

本文主要设计了一种四轴飞行器无线供电系统。其硬件部分包括NE555D脉冲发生器电路、功率放大及无线发射电路、感应线圈电路、充电检测电路、阳能电源系统电路、单片机最小系统模块和充电电路。通过实验对系统进行多次仿真测试。结果表明，电磁感应供电系统的能量传输效率在80%左右，太阳能发电系统能量传输效率约为15%。该系统设计能一定程度缓解四轴飞行器电池续航不足的短板，但是需要完全满足飞行器的供电需求，还需要继续开发、测试更高效的能量传输装置。

参考文献

[1] 佚名.帝国理工学院开发出无人机无线供电技术[J].军民两用技术与产品，2016（21）：15.

[2] 余孟尝.数字电子技术基础简明教程[M].3版.北京：高等教育出版社，2006.

[3] 张晓光.12V太阳能电源控制器[J].电子制作，2006（9）： 12-14.

[4] 李晓玲.单片机原理与接口技术[M].北京：中国铁道出版社，2010.

[5] 李全利.单片机原理及应用（C51编程）（M].北京：高等教育出版社，2012.

[6] 杜树春.单片机应用系统开发实例详解[M].北京：机械工业出版社，2008.