張冬，袁春陽(yáng)

天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司

本文研究一種多旋翼無(wú)人機(jī)自動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)，闡述其工作原理、外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后搭建試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)自動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證斷電開(kāi)關(guān)的性能和可靠性。無(wú)人機(jī)使用該型斷電開(kāi)關(guān)，無(wú)須人員操作便能自動(dòng)完成斷電與上電。

多旋翼無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)提供了一種全新作業(yè)模式。在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中，自動(dòng)機(jī)場(chǎng)中的無(wú)人機(jī)無(wú)須人員操控，便能一鍵起飛，按照預(yù)設(shè)航線(xiàn)飛行，完成作業(yè)后返回自動(dòng)機(jī)場(chǎng)，完成整機(jī)斷電以及鋰電池充電。無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)可減少人力投入，提高作業(yè)效率，為高速公路巡查、城市道路巡查、安防、石油管道巡檢、海岸巡查等應(yīng)用領(lǐng)域提供一種更便捷的智能化解決方案。目前，多旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)已經(jīng)越發(fā)成熟，行業(yè)須要解決的問(wèn)題是，無(wú)人機(jī)如何在沒(méi)有人員參與的前提下完成斷電，使用者如何防止無(wú)人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間上電導(dǎo)致的元器件使用壽命和精度下降。無(wú)人機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，由于多個(gè)電調(diào)同時(shí)工作，無(wú)人機(jī)總輸出電流較大，極限作業(yè)時(shí)電流可達(dá)上百安，傳統(tǒng)遠(yuǎn)程機(jī)械式或電子式斷電開(kāi)關(guān)均無(wú)法滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)斷電的需求。

為解決問(wèn)題，本文研究一種無(wú)人機(jī)機(jī)械式自動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)，這種斷電開(kāi)關(guān)耐疲勞，使用壽命長(zhǎng)，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。在起降過(guò)程中，無(wú)人機(jī)使用這種開(kāi)關(guān)，能夠自動(dòng)完成斷電或上電。

機(jī)構(gòu)組成與工作原理

圖1 無(wú)人機(jī)自動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)的工作原理圖。

自動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與鋰電池之間的通斷，其實(shí)施方案詳見(jiàn)圖2。無(wú)人機(jī)降落在自動(dòng)機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪升降平臺(tái)后，隨升降平臺(tái)下降到指定高度，這時(shí)安裝于無(wú)人機(jī)機(jī)身底部的斷電開(kāi)關(guān)與通斷觸發(fā)平臺(tái)接觸，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，無(wú)人機(jī)斷電。在起飛前，無(wú)人機(jī)隨升降平臺(tái)上升，斷電開(kāi)關(guān)與通斷觸發(fā)平臺(tái)分離，開(kāi)關(guān)閉合，無(wú)人機(jī)上電。

圖2 斷電開(kāi)關(guān)實(shí)施方案。

斷電開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

前文已初步確定斷電開(kāi)關(guān)的工作原理和實(shí)施方案。下面闡述開(kāi)關(guān)的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表1 自動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

外形設(shè)計(jì)

自動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)通過(guò)三個(gè)螺釘固定于無(wú)人機(jī)機(jī)身底部。開(kāi)關(guān)外殼由前殼、中殼、后殼以及推桿四部分組成。其中，外殼采用尼龍材料制成，可以起到絕緣效果。尼龍是一種常用工程塑料，具有機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好、抗疲勞、抗氧化、耐高溫等特點(diǎn)，能夠延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)的使用壽命。同時(shí)，尼龍的密度比合金小，減小了開(kāi)關(guān)的重量。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

斷電開(kāi)關(guān)的內(nèi)部組件主要包括壓力彈簧、磁鐵、固定鐵片、彈簧片、輸出與輸入電極等器件。其中，輸入電極與鋰電池的正極供電線(xiàn)被焊接在一起；輸出電極與無(wú)人機(jī)供電口正極被焊接在一起。輸出與輸入電極閉合時(shí)，無(wú)人機(jī)處于上電狀態(tài)，彈簧處于壓縮狀態(tài)，彈簧壓縮產(chǎn)生的壓力將輸入與輸出兩個(gè)電極壓在一起。同時(shí)，為了防止彈簧在無(wú)人機(jī)振動(dòng)過(guò)程中失效而導(dǎo)致輸出與輸入兩電極斷開(kāi)，磁鐵吸附在固定鐵片上，磁力將輸出與輸入電極緊壓在一起，作為二次保護(hù)。無(wú)人機(jī)降落后，隨著升降平臺(tái)下降，無(wú)人機(jī)自身的重力擠壓推桿，彈簧被進(jìn)一步壓縮，輸出與輸入電極斷開(kāi)，無(wú)人機(jī)斷電。

圖3 斷電開(kāi)關(guān)的安裝方式。

圖4 斷電開(kāi)關(guān)的外形。

圖5 斷電開(kāi)關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

無(wú)人機(jī)起飛前，輸出與輸入電極處于分離狀態(tài)，此時(shí)兩個(gè)電極的電壓差較大，上下兩個(gè)電極接觸瞬間，由于無(wú)人機(jī)內(nèi)部電容快速充電，兩個(gè)電極會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的打火現(xiàn)象，導(dǎo)致電極逐漸腐蝕，無(wú)法繼續(xù)使用。為了防止電極打火，本方案使用具有四個(gè)貼片電阻的整體電阻，該整體電阻被串聯(lián)在輸出電極與彈簧片之間，詳見(jiàn)圖6中的電阻電路板。輸出與輸入電極接觸閉合前，彈簧片優(yōu)先與輸入電極接觸，串聯(lián)電阻起到限流作用，待彈簧片與輸入電極充分接觸后，輸出與輸入兩電極才會(huì)延遲閉合，無(wú)人機(jī)上電。開(kāi)關(guān)閉合的動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖7所示。

圖6 防打火裝置。

圖7 開(kāi)關(guān)閉合過(guò)程。

元器件選型

（1）磁鐵選型

這是新版《梅葛》十分重要的特點(diǎn)。從工作深入程度講，這比聽(tīng)一兩個(gè)歌手，或者召集三五個(gè)人小范圍的演唱、記錄要深入很多，也更具有一個(gè)群體的代表性。因?yàn)橛姓馁Y金保障，郭曉煒整理新版《梅葛》時(shí)，先后召集了近百人參與，和他一起工作的人，多的時(shí)候達(dá)50多個(gè)，而其中至少有20多人，前前后后都參與了整個(gè)整理工作。

在不考慮彈簧壓力的情況下，磁鐵若滿(mǎn)足斷電開(kāi)關(guān)二次保護(hù)的要求，必須提供足夠的吸力。設(shè)斷電開(kāi)關(guān)移動(dòng)部分的總質(zhì)量為m，如圖8所示。考慮到無(wú)人機(jī)產(chǎn)生的高頻振動(dòng)，磁鐵與鐵片產(chǎn)生的吸力除克服斷電開(kāi)關(guān)移動(dòng)部分自身的重力外，該吸力至少是2倍的移動(dòng)部分慣性力。

圖8 開(kāi)關(guān)移動(dòng)部分。

則磁鐵與鐵片產(chǎn)生的吸力F1≥3×m×g(g為物體在地球上的重力加速度)。

模型中測(cè)得的移動(dòng)部分總質(zhì)量m=101g，則F1≥3.03N。

通過(guò)對(duì)比多種磁鐵的吸力，同時(shí)考慮安裝空間以及固定方式，本文選擇圓形強(qiáng)磁性磁鐵，該磁鐵中間帶有安裝孔。經(jīng)過(guò)彈簧秤測(cè)試，磁鐵與鐵片產(chǎn)生的吸力F1=3.8N，滿(mǎn)足條件。

（2）彈簧選型

根據(jù)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，本方案選用兩根彈簧，彈簧始終處于壓縮狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，彈簧壓縮量最小，受機(jī)構(gòu)空間限制，彈簧的初始長(zhǎng)度為26mm，此時(shí)彈簧提供的彈簧壓力為F2；當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，推桿向上移動(dòng)，彈簧壓縮量增大，壓力增大；當(dāng)推桿向上移動(dòng)到極限位置時(shí)，彈簧壓縮量達(dá)到最大，此時(shí)彈簧長(zhǎng)度為20mm，此時(shí)彈簧提供的彈簧壓力為F3?？紤]到機(jī)構(gòu)特點(diǎn)以及無(wú)人機(jī)產(chǎn)生的高頻振動(dòng)，彈簧壓力除克服斷電開(kāi)關(guān)移動(dòng)部分自身的重力外，該壓力至少是2倍的移動(dòng)部分慣性力。

則F2≥3×m×g。

同時(shí)，為了保證無(wú)人機(jī)能完全斷電，無(wú)人機(jī)應(yīng)利用自身重力，使彈簧壓縮量達(dá)到最大，

則F3＜M×g,其中，M為無(wú)人機(jī)總質(zhì)量（在標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)載荷下）,M=6.5kg。

根據(jù)上述限制條件，本方案選用圓形螺旋形彈簧，彈簧自由長(zhǎng)度為35mm,彈簧最大壓縮量為25mm。為防止彈簧因長(zhǎng)時(shí)間壓縮而產(chǎn)生的彈性變形，彈簧材料選用彈簧鋼。經(jīng)彈簧秤測(cè)試，彈簧壓力F2=3.6N，F(xiàn)3=6N，滿(mǎn)足條件。

斷電開(kāi)關(guān)裝配

斷電開(kāi)關(guān)加工完成后，工作人員根據(jù)三維模型進(jìn)行裝配，裝配完成后的開(kāi)關(guān)實(shí)物詳見(jiàn)圖9。由于電阻電路板加工周期較長(zhǎng)，試驗(yàn)可暫時(shí)使用陶瓷電阻代替電阻電路板。

圖9 斷電開(kāi)關(guān)實(shí)物圖。

打火問(wèn)題及其解決辦法

斷電開(kāi)關(guān)裝配完成后，經(jīng)過(guò)測(cè)量，總質(zhì)量為188g，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。接下來(lái)，工作人員將開(kāi)關(guān)安裝在無(wú)人機(jī)機(jī)身底部。無(wú)人機(jī)選用的鋰電池為高壓型22000mAh-6s鋰電池，經(jīng)測(cè)量，電池正常輸出電壓為24V，斷電開(kāi)關(guān)被串聯(lián)在鋰電池正極與無(wú)人機(jī)供電口正極之間，重復(fù)進(jìn)行通斷試驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，自動(dòng)斷電開(kāi)關(guān)能夠正常完成通斷工作，但是打火現(xiàn)象明顯，技術(shù)人員進(jìn)一步開(kāi)展試驗(yàn)進(jìn)行分析。

嘗試解決上電瞬間輸出與輸入電極打火嚴(yán)重的問(wèn)題

為了防止開(kāi)關(guān)打火，技術(shù)人員在設(shè)計(jì)斷電開(kāi)關(guān)的初始方案時(shí)，將輸出與輸入電極串聯(lián)在無(wú)人機(jī)供電總線(xiàn)路內(nèi)，用于控制無(wú)人機(jī)電源的通斷，同時(shí)將一支旁路并聯(lián)到輸出與輸入電極的端頭，并在該旁路內(nèi)串聯(lián)一組整體電阻。在輸出與輸入電極閉合之前，旁路優(yōu)先閉合，旁路內(nèi)的串聯(lián)整體電阻起到限流作用。當(dāng)并聯(lián)旁路導(dǎo)通之后，兩個(gè)銅片再延遲閉合。串聯(lián)整體電阻的初始電阻值為4.7KΩ，開(kāi)關(guān)閉合或者斷開(kāi)瞬間，斷電開(kāi)關(guān)內(nèi)部打火嚴(yán)重，重復(fù)上電不超過(guò)30次，兩電極上下接觸面因燒蝕嚴(yán)重而絕緣，無(wú)法使用。針對(duì)上電瞬間銅片打火嚴(yán)重的問(wèn)題，本文提出轉(zhuǎn)移打火位置的方案，并對(duì)該方案進(jìn)行驗(yàn)證。

本文建議將打火位置轉(zhuǎn)移到旁路彈簧片和輸入電極接觸的位置，將彈簧片作為消耗品。技術(shù)人員可通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證彈簧片壽命，以定期更換彈簧片。

在驗(yàn)證試驗(yàn)中，技術(shù)人員將旁路接通（即不在旁路內(nèi)串聯(lián)整體電阻，只在旁路中串聯(lián)彈簧片）后發(fā)現(xiàn)，彈簧片位置打火嚴(yán)重，輸出與輸入兩電極之間不打火，而試驗(yàn)中彈簧片重復(fù)使用不超過(guò)10次，彈簧片與輸入兩電極的接觸點(diǎn)卻因打火燒蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致絕緣，無(wú)法使用。同時(shí)，無(wú)人機(jī)在工作過(guò)程中總電流很大，導(dǎo)致通過(guò)斷電開(kāi)關(guān)的電流很大，旁路供電線(xiàn)無(wú)法支撐，因此該方案不可取。

電阻未被串聯(lián)在電路中的問(wèn)題分析

旁路串聯(lián)電阻后，打火現(xiàn)象未得到解決，說(shuō)明電阻并沒(méi)有發(fā)揮作用。原因可能是，在輸出與輸入兩電極閉合前，旁路未接通，旁路內(nèi)串聯(lián)電阻沒(méi)有發(fā)揮作用。

在驗(yàn)證試驗(yàn)中，技術(shù)人員在輸出與輸入兩電極之間放入絕緣片，主電路處于斷開(kāi)狀態(tài)，僅旁路接通。經(jīng)測(cè)量，旁路中的串聯(lián)電阻為4.7KΩ，說(shuō)明串聯(lián)電阻可以正常工作，該方案成立。

增加無(wú)人機(jī)電容充放電時(shí)間的辦法

旁路串聯(lián)電阻后，打火現(xiàn)象沒(méi)有得到解決，說(shuō)明電阻并沒(méi)有發(fā)揮作用。原因可能是，旁路通電時(shí)間過(guò)短，無(wú)人機(jī)內(nèi)部電容充放電時(shí)間不夠，電阻無(wú)法充分發(fā)揮作用。

在驗(yàn)證試驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)接入24V電池，輸出與輸入電極之間加入絕緣片，處于斷開(kāi)狀態(tài)，僅旁路接通。旁路接通時(shí)間須超過(guò)1min，以保證無(wú)人機(jī)內(nèi)部電容擁有足夠的充放電時(shí)間。試驗(yàn)人員關(guān)閉主電路，但打火現(xiàn)象沒(méi)有明顯改善，該方案成立。

解決電阻值過(guò)大、限流作用過(guò)大的辦法

經(jīng)測(cè)量，AS150防打火公頭兩端的內(nèi)部電阻為5Ω，該公頭內(nèi)阻的電阻值與斷電開(kāi)關(guān)最初設(shè)計(jì)的電阻值4.7KΩ之間存在較大差異。后期，經(jīng)技術(shù)人員核實(shí)，無(wú)人機(jī)輸入總電壓24V，旁路串聯(lián)電阻兩端的電壓為21.5V，打火原因可能是串聯(lián)電阻的電阻值過(guò)大，限流作用過(guò)大，電阻幾乎不能發(fā)揮作用。

在驗(yàn)證試驗(yàn)中，技術(shù)人員更換旁路串聯(lián)電阻，將AS150防打火公頭串聯(lián)在旁路中，模擬電阻值為5Ω的電阻，先閉合旁路，電阻兩端電壓為4V，3s后主電路閉合，打火現(xiàn)象消失，該方案成立。

圖10 串聯(lián)AS150公頭。

接下來(lái)，技術(shù)人員依次將電阻值為100Ω、50Ω、20Ω，功率為0.5W的現(xiàn)有成品電阻串聯(lián)在旁路中，上電瞬間打火減弱，但是電阻直接發(fā)生高溫熔化，電阻功率不足，無(wú)法使用。

為進(jìn)一步開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)，技術(shù)人員對(duì)電阻進(jìn)行更換，使用額定功率為100W的大功率黃金外殼電阻，并將電阻值分別為20Ω、10Ω、5Ω、2Ω的黃金外殼電阻依次串聯(lián)到旁路中，在斷電開(kāi)關(guān)上電后觀(guān)察打火現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)電阻的電阻值減小后，火花逐漸減小，當(dāng)旁路內(nèi)串聯(lián)電阻的電阻值為5Ω時(shí)，火花基本消失，當(dāng)旁路內(nèi)串聯(lián)電阻的電阻值為2Ω時(shí)，輸出與輸入兩電極接觸面火花消失，但旁路彈簧片開(kāi)始產(chǎn)生火花。因此，本方案應(yīng)選用電阻值為5Ω的電阻。

低溫、長(zhǎng)時(shí)間壓縮工況下彈簧性能測(cè)試

無(wú)人機(jī)自動(dòng)機(jī)場(chǎng)處于正常工作模式下，無(wú)人機(jī)停放在停機(jī)坪內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間處于斷電狀態(tài)，所處環(huán)境復(fù)雜，其開(kāi)關(guān)內(nèi)的彈簧長(zhǎng)時(shí)間處于被壓縮狀態(tài)，尤其當(dāng)外界環(huán)境溫度較低時(shí)，彈簧有可能產(chǎn)生彈性變形，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)無(wú)法正常壓緊閉合。因此，彈簧應(yīng)完成低溫、長(zhǎng)時(shí)間壓縮工況下的性能測(cè)試。

在測(cè)試中，溫箱環(huán)境溫度為-20℃左右，開(kāi)關(guān)完全被壓縮的狀態(tài)持續(xù)48h。測(cè)試結(jié)束后，無(wú)人機(jī)斷電開(kāi)關(guān)馬上進(jìn)行上電測(cè)試，技術(shù)人員觀(guān)察開(kāi)關(guān)能否正常工作，彈簧是否有不可恢復(fù)的變形。經(jīng)過(guò)重復(fù)測(cè)試，彈簧未出現(xiàn)問(wèn)題。 ■