楊志永 張雷 羅政 王利敏

摘 要：基于嵌入式系統(tǒng)的能源控制器能夠有效地將現(xiàn)有的高質(zhì)量蓄電池和太陽能有機地結(jié)合起來，可以有效地解決光照不強，載重過大等一系列小型無人機固有的難題，現(xiàn)在國內(nèi)外對于無人機的飛行研究也逐步深入，而最大程度提高能源轉(zhuǎn)化效率是未來的主要研究方向。

關(guān)鍵詞：太陽能；能量管理；無人機

引言

近幾年，地震、泥石流、洪澇災(zāi)害等自然災(zāi)害不斷，需要實時獲得最新的空中實景狀況，尤其近期發(fā)生的?；繁ㄊ录枰獙崟r現(xiàn)場畫面，而無人機恰好是最佳的選擇。

太陽能飛機以太陽能為能源，既綠色環(huán)保又滿足了飛機在空中長時間飛行需要。若在小型模型飛機上加裝了一系列設(shè)備后，民用上可用于大氣研究、天氣預(yù)報、環(huán)境及災(zāi)害監(jiān)測、農(nóng)作物遙測、交通管制、電信和電視服務(wù)、自然保護區(qū)的監(jiān)控等。在軍用上可用于邊境巡邏、偵查、通信中繼、電子對抗等作用。由于高空長航時太陽能無人機具有重要的民用和軍事用途，各國都把高空長航時的太陽能無人機列為重要的發(fā)展項目[1]。

以太陽能利用為標(biāo)志的新能源技術(shù)是未來發(fā)展的方向之一。由此所形成的高科技產(chǎn)業(yè)——太陽能產(chǎn)業(yè)，主要研究生產(chǎn)各種太陽能跟蹤、捕獲、轉(zhuǎn)換、傳輸和存儲的技術(shù)和設(shè)備，必將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 當(dāng)前面臨的主要問題

1.1 電能管理系統(tǒng)

需要以硅太陽能電池板作為能源的電動機為模型飛機提供足夠的動力。目前，太陽能電池的研究日新月異，在各個領(lǐng)域都有充分的應(yīng)用，比如太陽能路燈、太陽能發(fā)電、太陽能熱水等，但是面對每天巨大的太陽能資源，最重要的是能夠具有很高的能源轉(zhuǎn)化效率。

航空領(lǐng)域的太陽能電池板一般都具有很好的能量轉(zhuǎn)化效率，而我國目前航空領(lǐng)域研制的太陽電池沒有大范圍推廣，因此就必須從現(xiàn)有電池中尋找理想產(chǎn)品并把它應(yīng)用于太陽能模型飛機。

1.2 太陽能航模續(xù)航能力

太陽能航模的應(yīng)用范圍以及應(yīng)用效果取決于太陽能航模在空中的續(xù)航能力。而太陽能航模在空中的續(xù)航能力與航模的結(jié)構(gòu)設(shè)計，新型復(fù)合材料的使用等有關(guān)，而其中最重要的就是能源供應(yīng)問題。如果能源能夠穩(wěn)定且高效地得到利用，那么太陽能航模的應(yīng)用層面將會非常廣泛，所以我們著重對太陽能航模上能源的轉(zhuǎn)化、供應(yīng)以及存儲進行研究[2]。

2 能源系統(tǒng)設(shè)計原理和方案實施

本電路是基于STC12C5A60S2設(shè)計的，STC12C5A60S2自帶8路10位AD，以及2路PWM，由于用到太陽能電池板，就不得不考慮過流的問題，所以本電路采用的是IRF4905-P的MOS，漏極電流大，漏源耐壓值高，具有很好的線性，而且再配合上三極管驅(qū)動電路使MOS管的開關(guān)速度大大地提高，降低了MOS本身的功耗，單片機的功耗也是極其的小，一般只有幾十毫安，這樣就使大部分的電能用于充電，設(shè)計是基于過流保護精度高、反應(yīng)快的特性。

另一個方面就是對電池的保護，既可以延長壽命又可以節(jié)省能量。本系統(tǒng)的特點是當(dāng)充電電壓低于電池電壓市，采用脈沖充電的方式仍然會給電池充電；同時該控制器能夠有效地防止蓄電池過充、過放、過流，可以達到該模型的需要，通過在實驗室中進行調(diào)試，該系統(tǒng)控制器由充電電路、切換電路、放電電路三部分組成，下面分別介紹其組成部分。

充電電路：通過檢測電流的大小，蓄電池參數(shù)和電路自身的分析，對輸出的電流以及電壓進行調(diào)控，根據(jù)蓄電池的容量大小，可改變R以改變充電電流。

切換電路：當(dāng)有光照時，Q1導(dǎo)通，三極管控制使繼電器不耗電，無光照時，Q1截止，交流電經(jīng)常開觸點送出。

放電電路：蓄電池對負載放電時端電壓會逐漸降低，當(dāng)端電壓降低到小于預(yù)先設(shè)定的過放電址值時，使K2釋放，LED2熄滅，Q4導(dǎo)通，Q5截止。當(dāng)蓄電池端電壓大于預(yù)先設(shè)定的過放電壓值時，04截止，Q5導(dǎo)通。該部分電路可形成雙遲滯電壓比較器，從而使電路在比較電壓的臨界點附近不會產(chǎn)生振蕩。（圖1）

圖1 能源控制器電路圖

3 結(jié)束語

能量管理系統(tǒng)，能夠?qū)μ柲茈姵匕迥芰窟M行實時有效的管理和利用，當(dāng)其運用于太陽能航空模型后，可以使該模型的飛行時間和路程大大提高；伴隨著大型的太陽能模型飛機的發(fā)展，搭載更多小型設(shè)備，可以使該太陽能模型飛機有更廣闊的應(yīng)用前景[3]。

基于嵌入式系統(tǒng)的能源控制器能夠有效將現(xiàn)有的高質(zhì)量蓄電池和太陽能有機地結(jié)合起來，可以有效地避免光照不強，載重過大等一系列小型無人機固有的難題，現(xiàn)在國內(nèi)外對于無人機的飛行研究也逐步深入，而最大程度提高能源轉(zhuǎn)化效率是未來的主要研究方向。

參考文獻

[1]鄧海強，余雄慶.太陽能飛機的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].航空科學(xué)技術(shù)，2006.

[2]高光林，李占科，宋筆鋒，等.太陽能無人機關(guān)鍵技術(shù)分析[D].西北工業(yè)大學(xué).

[3]莊天義.某太陽能飛機總體飛機設(shè)計研究[D].北京航空航天大學(xué).

作者簡介：楊志永（1992，7-），男，山西朔州，重慶交通大學(xué)河海學(xué)院本科生，研究方向：控制與優(yōu)化、水利技術(shù)。