无人机电池智能管理系统研究与设计

张翼飞 刘亚娟

河南应用技术职业学院 河南郑州 450042

无人机设备是利用无线遥控设备和自备程序控制操作下的不载人飞机，随着无人机技术的迅猛发展，无人机所具有的体积小、造价低、使用方便等优势，使其广泛应用到军用领域和民用领域，满足各领域的航拍、快递运输、救援等作业。但是在无人机的应用发展中，不可忽视其充电管理系统所存在的不足之处。如，无人机在快递运输中，其存在着供电不足，往往只能满足短距离的快递输送，若是无法准确返航，将会影响无人机的使用寿命。

1 无人机电池智能管理系统的需求

1.1 安全性

无人机电池智能管理系统就要求实现对无人机电池系统的安全化管理。一方面是要求展开对无人机内部系统管理，避免因为充电柜同无人机电池组设备的不兼容所带来的安全隐患。还要求确保在充电过程中无人机系统内部的各个模块处于暂停状态，在充电完成之后能够自由运行。另一方面是要求展开对无人机电池系统的通讯安全管理。无人机设备型号同充电系统直接的信息传输是确保充电/存储有序展开的关键所在。当前在无人机电池智能管理系统设计研发中，必须能够完成对系统通讯模块搭建，确保信息传递的及时性和有效性。

1.2 整体性

无人机电池智能管理系统并不是单独存在着的，其需要有外部结构和内部控制系统，且两者之间必须是协同一致能够兼容的。因此在设计无人机电池智能管理系统过程中，需要采取整体性的设计原则，确保智能化充电、智能化管理，保证无人机电池安全、无人机系统内部安全。

2 无人机电池智能管理系统的整体方案

无人机电池智能管理系统主要分为的结构系统和控制系统，两个系统共同组成对无人机电池充电、存储的安全性管理。

2.1 无人机电池智能结构管理系统

无人机电池智能结构管理系统结构分为上下四层，分别是智能显示区、电池充电区、电池存储区以及智能管理区。无人机的电量情况可以通过智能显示区显示出来，继而完成充电、存储，而智能管理区则是完成对充电全过程的状态和无人机其他零件环境的监测，确保在充电过程中不会因为外界的因素导致电池充电故障问题。如，在充电中的无人机的电源出现短路故障，将会对无人机系统带来影响，此时智能管理区中的智能以太网就可以直接断开连接，启动保护[1]。

2.2 无人机电池智能控制系统整体设计方案

控制系统是指导无人机有序展开充电、存储以及安全管理的核心系统。其主要由以太网智能插座控制模块、无人机电池充电模块、系统参数监测模块、散热模块、HMI显示模块以及后台服务模块组成。在无人机电池智能管理中，由以太网智能插座控制模块实现对整个系统的核心控制，该模块可以将充电柜中的相关参数信息上传给后台服务器，从而控制无人机电池充电模块启动作业。该模块同HMI显示模块实现实时通讯，对于充电柜的相关参数进行显示，散热系统确保无人机电池充电系统拥有良好的工作环境。系统参数监测模块则是实时采集无人机电池系统中的温度湿度、电压电流等信息，确保系统的安全性。具体的控制系统设计方案如图1所示。

图1 无人机电池智能管理控制系统整体设计方案

3 无人机电池智能控制系统的具体设计

3.1 充电模块设计

无人机电池智能控制系统中的充电模块设计是重点所在，其主要是由开关电源、无人机智能充电器和无人机电池组成。①开关电源主要采用输入为AC 100-220V交流电源，输出为110V-32V的直流电源。输出的直流电源同无人机智能充电器相接，借助充电器将直流电源转变为功率1150w的能源输出，从而达到对无人机多个电池的充电以及存储。在实际的充电管理中，需要利用高精度的检流芯片进行电流和电压的检测，确保电流电压符合该无人机型号的充电需求[2]。如，利用芯片INA282进行电流检测，共模抑制比较高，通过外接较小的电阻器就可以精准测量无人机电池的电路情况。②电池是采用锂电池，能够实现快速、安全充电管理，并且当电池组长期不使用时，可以存储电压，避免电压对于电池组的损害。总的来说，无人机电池系统主要是由功率主回路、STM32主控模块、充电电流检测模块、单体电池电压检测模块和无线通信模块等组成。在充放电回路中主要采用新型主回路拓扑设计，该设计中采用软开关工作方式，能够将为轻松地实现对充电主回路和放电回路的高效转移。如，在无人机充电完毕之后，能够将电池电压快速地降低到安全规定值，满足不同无人机型号的需要。在放电回路设计中，新型主回路拓扑设计可以设置合适的放电终止电压，有效避免过度放电现象，保证无人机锂电池电压能够保持一个最佳的存储值，提高无人机电池的稳定性能，延长使用寿命。③无人机电池通信子模块的设计。无人机的智能充电器是借由无线通信子模块所实现的。在该系统中主要采用窄带物联网无线通信方式进行数据传输和应用。在充电过程中，充电柜能及时掌握无人机充电信息，而无人机的充电设备、电池设备的各种信息资料也可以通过窄带物联网无线通信方式传输到系统参数采集模块或者是后台服务器中。

3.2 系统参数采集模块设计

系统参数采集模块需要完成实时监控和数据收集传输，同时需要对接HMI显示屏和后台服务器。它主要是由环境温度、环境湿度以及电压、电流相关传感器组成。通过单片机来进行各种参数信息的传输和转换，提高信息传输的准确性和效率。如，采用16Mhz的单片机，展开对系统检测电路输出电压A/D转换，从而对温度传感器所采集到的信息进行数字量的处理以及PWM控制的输出。

3.3 HMI显示模块和散热模块设计

显示模块不仅仅需要显示对无人机电池智能管理系统的各种参数信息，还要求能够显示当前的通讯情况，进行通讯异常报警以及系统异常的报警提醒[3]。当出现系统内部的环境温度过高时，显示模块将信息传输给后台服务器，由后台服务器启动自动散热模块，进行系统自动散热降温。

3.4 后台服务器

后台服务器满足无人机电池智能管理系统的远程控制和集成控制。在无人机电池智能控制模块中，各个模块中的零部件和设备通过路由器接入到公网设备中，满足对无人机设备整体控制管理。

4 无人机电池智能管理系统的测试与实现

实现对无人机电池智能管理系统的整体测试，通过启动系统，展开无人机智能充电的实时画面传输，可以发现，在无人机电池实时充电过程中，系统最上方的HMI显示屏可以显示各种充电参数，下方还有菜单选择按钮可以进行无人机电池类型、电流电压等参数的设置和显示，同时还有无人机充电电池的状态显示。通过实时的无人机电池充电管理测试 ，确保该系统功能完备，能够进行正常高效工作。

5 结语

综上所述，无人机电池智能管理系统是提供一种通用的无人机电池智能充电管理平台，其能够实现对不同类型无人机的电池智能充电，存储，监测等作业。本文所设计出的无人机电池智能管理系统，实现对无人机充电过程的全程监控，提高了无人机应用效率和应用安全性。