0 引言

當(dāng)今， 由于在民用及國防等諸多領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用， 空中機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)越來越被人們所重視， 并吸引了各國專家學(xué)者的注意。小型旋翼機(jī)器人是以模型直升機(jī)為載體， 裝備上傳感器單元， 控制單元和伺服機(jī)構(gòu)等裝置以實現(xiàn)自主飛行。而為了提高飛機(jī)的安全性， 需要設(shè)計一套設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)， 實時的監(jiān)測飛機(jī)的姿態(tài)信息， 機(jī)載設(shè)備的狀況以及電源的情況等。

該平臺所使用的電源是兩節(jié)鋰電池串聯(lián)組成的電池組， 利用鋰離子電池的充放電特性， 設(shè)計了一套以mega16l 為核心的充放電管理系統(tǒng)。鋰電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點， 與鎳鎘電池、鎳氫電池不太一樣的是必須考慮充電、放電時的安全性，以防止特性劣化。因此在系統(tǒng)運行過程中， 為了保護(hù)鋰電池的安全， 設(shè)計了一套欠壓保護(hù)電路， 以防止電源管理系統(tǒng)因過用而發(fā)生電池特性和耐久性特性劣化。

1 電源管理系統(tǒng)總體框架

無人機(jī)電源管理系統(tǒng)是飛機(jī)實現(xiàn)自主飛行的重要組成部分， 其大致框架如圖1 所示。在該系統(tǒng)中， 利用AXI 公司生產(chǎn)的2212/ 34 型號發(fā)電機(jī)將動能轉(zhuǎn)換為220V 交流電， 再經(jīng)過整流穩(wěn)壓后輸出11.6V 的直流電壓， 可由該輸出電壓為兩節(jié)鋰電池充電。電源管理系統(tǒng)的控制器是meg a161 單片機(jī)， 該控制器通過檢測兩節(jié)鋰電池的電壓大小從而控制繼電器開關(guān)來對電池進(jìn)行充放電管理。

圖1 電源管理系統(tǒng)框架

控制器采集到電源系統(tǒng)中的信息后， 通過無線傳輸設(shè)備將該數(shù)據(jù)實時傳輸給地面。地面監(jiān)控平臺還可以發(fā)送一些指令給mega16l, 通過控制繼電器開關(guān)來控制電池充放電， 從而實現(xiàn)監(jiān)測和控制飛機(jī)的目的。

機(jī)上電源模塊由兩節(jié)英特曼電池有限公司生產(chǎn)的鋰電池組成， 電池組電量充足時電壓為8?? 4V.電池的荷電量與整個供電系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān)， 電池剩余電量越多， 系統(tǒng)的可靠性越高， 因此飛行時能實時獲得電池的剩余電量， 這將大大提高飛機(jī)的可靠性。

2 電源監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

直升機(jī)能順利完成飛行任務(wù)， 充足的電源供應(yīng)不可或缺。

由鋰電池的特性可知， 在過度放電的情況下， 電解液因分解而導(dǎo)致電池特性劣化并造成充電次數(shù)降低。因此為了保護(hù)電池的安全， 電源系統(tǒng)在給控制系統(tǒng)供電前要經(jīng)過欠壓保護(hù)模塊和穩(wěn)壓模塊。為了預(yù)測電源系統(tǒng)中剩余的電量， 這里采用檢測電源系統(tǒng)電壓的方法， 在測得系統(tǒng)的電源電壓后， 查找由放電曲線建立的數(shù)據(jù)庫， 就能估計出電源系統(tǒng)中所剩余的電量。

單片機(jī)所需要的電源電壓是2. 7 ~ 5.5V, 因此可為meg a16l 設(shè)計外部基準(zhǔn)電壓為2.5V, 該基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路如圖2所示。所以系統(tǒng)要檢測電池的電壓， 需要將電池用電阻進(jìn)行分壓且最大分得的電壓值不能超過2.5V.控制器測得的電壓值乘上電壓分壓縮小的倍數(shù)后， 就能得到電源系統(tǒng)中的實時電壓。時刻監(jiān)測鋰電池的用電情況， 防止電池過用現(xiàn)象出現(xiàn)， 就能達(dá)到有效使用電池容量和延長壽命的目的。

圖2 基準(zhǔn)電壓電路

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 直流無刷電機(jī)電路

無刷直流電機(jī)是由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成， 是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。直流無刷電機(jī)與一般直流電機(jī)具有相同的工作原理和應(yīng)用特性， 而其組成是不一樣的， 除了電機(jī)本身外， 前者還多一個換向電路， 直流無刷電動機(jī)的電機(jī)本身是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換部分， 它除了電機(jī)電樞、永磁勵磁兩部分外， 還帶有傳感器。該發(fā)電機(jī)的部分AC-DC 電路如圖3 所示。

圖3 無刷電機(jī)AC-DC 電路