CN105471069A - 一种小型无人机机载电源管理与控制系统及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种小型无人机机载电源管理与控制系统及设备，所述系统包括：电源切换与电源管理模块，供配电模块，数据采集与接口转换模块；所述电源切换与电源管理模块，用于实现发电机三相电源的整流滤波、电源切换、电压变换及备用电池组在线充电；所述供配电模块，用于实现对自驾仪、舵机、电子控制单元、短报文设备、电台及内部控制电路的供配电；所述数据采集与接口转换模块，用于实现电池组电压采集、ECU数据组帧、TTL到RS232的电平转换及对主电源模块和两电切换电路的控制。本发明使得无人机航电系统集成度更高，并实现了无人机的发电机供电，航时和飞行可靠性得到大大提升。

Description

一种小型无人机机载电源管理与控制系统及设备
技术领域
本发明涉及航空技术领域，尤其涉及一种小型无人机机载电源管理与控制系统及设备。
背景技术
目前，小型固定翼无人机供配电基本都采用电池组供电，这就严重制约了飞机的航时，而且随着航时的增加，机上电池组会越来越重，对于小型固定翼无人机来说，这是不允许的，甚至是严重的缺陷，而使用小型机载发电机的无人机就解决了这一问题。
但如果使用小型机载发电机，如何对机载发电机及备用电池组进行控制，实现电源系统的合理、正常工作，实现无人机的长航时。成为技术人员需要考虑的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种小型无人机机载电源管理与控制系统及设备，实现带有三相机载发电机的无人机的电源的变换、机上供配电及备用电池组在线充电等功能，实现无人机的长航时。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种小型无人机机载电源管理与控制系统，包括：
电源切换与电源管理模块，供配电模块，数据采集与接口转换模块；
所述电源切换与电源管理模块，用于实现发电机三相电源的整流滤波、电源切换、电压变换及备用电池组在线充电；
所述供配电模块，用于实现对自驾仪、舵机、电子控制单元、短报文设备、电台及内部控制电路的供配电；
所述数据采集与接口转换模块，用于实现电池组电压采集、ECU数据组帧、TTL到RS232的电平转换及对主电源模块和两电切换电路的控制。
优选的，所述电源切换与电源管理模块包括：
三电切换电路，用于完成备用电池组、外部电源和发电机整流滤波电源的自动切换。
优选的，所述三电切换电路，用于当三电都在线时，由外部电源供电；当发电机和备用电池组电在线时，由发电机供电；当发电机电断开时，自动切换到备用电池组供电。
优选的，所述电源切换与电源管理模块用于实现备用电池组在线充电，包括：充电电路根据充电电压的不同自动变换电流大小进行充电。
优选的，所述数据采集与接口转换模块，进一步用于当发动机转速达到第一设定值，整流滤波转换后的功率足以满足除载荷外的其他机载设备使用时，控制使能主电源模块，否则禁止主电源模块；当发动机转速达到第二设定值，转换后的功率足以满足所有机载设备使用时，控制发电机电给载荷供电，否则禁止发电机电给载荷供电。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种小型无人机机载电源管理与控制设备，包括：
盒体；
主电源块；
ECU电源块，与所述主电源块单独做在一个电源立板上，所述电源立板与主板采用栈接的方式连接，电源立板上的主电源块及ECU电源块与盒体紧贴散热；
所述盒体的两侧分别开孔，一侧设置有排风扇。
优选的，所述电源立板与所述主板通过立板栈接连接器及主板栈接连接器连接。
本发明提供的小型无人机机载电源管理与控制系统及设备，实现带有三相机载发电机的无人机的电源的变换、机上供配电及备用电池组在线充电等功能，实现了无人机的长航时。本发明的电源管理与控制设备就是在带有三相交流发电机的小型无人机上使用的航电设备，本设备用于机上三相交流发电机三相电源的整流滤波变换，备用电池组、发电机电及外部电的自动切换，备用电池组在线充电，机上航电设备供配电，机上主电源电压监测及串口数据的转发等功能。无人机使用此设备作为电源管理与控制设备，使得无人机航电系统集成度更高，并实现了无人机的发电机供电，航时和飞行可靠性得到大大提升。
附图说明
图1为本发明实施例的小型无人机机载电源管理与控制系统原理示意图。
图2为本发明实施例的小型无人机机载电源管理与控制设备结构示意图。
图3为本发明实施例的小型无人机机载电源管理与控制设备外部结构示意图。
图4为本发明实施例的小型无人机机载电源管理与控制设备的主板与电源立板栈接示意图。
1-盒体2-电源立板3-主板4-风扇5-主电源模块
6-整流桥7-排风孔8-航插9-电源模块10-进气孔
11-滤波电容12-ECU电源块
401-电源立板402-主板403-立板栈接连接器404-主板栈接连接器
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的主要思想是，实现机上交流发电机的整流滤波变换，备用电池组、外电及发电机电的自动切换，机上设备供配电，备用电池组在线充电，数据采集及串口数据转发等功能。
其次是电源管理与控制设备的结构设计及散热方案。为了解决电源管理与控制板较大的问题，将主电源块和ECU电源块单独做在一个电源立板上，并与主板采用栈接的方式，同时，电源立板上的两个电源块与盒体紧贴散热，另外，将盒体的两侧分别开孔，一侧装上小排风扇，用于将盒子内部的热量尽快排出。
参照图1所示，为本发明实施例的小型无人机机载电源管理与控制系统结构示意图，所述系统包括：
电源切换与电源管理模块101，供配电模块102，数据采集与接口转换模块103，三大模块如图1所示。
电源切换与电源管理模块101，用于实现发电机三相电源的整流滤波，电源切换、电压变换及备用电池组在线充电；
其中三电切换电路是完成备用电池组，外部电源和发电机整流滤波电源的自动切换。当三电都在线时，由外部电源供电；当发电机和备用电池组电在线时，由发电机供电；当发电机电断开时，自动切换到备用电池组供电。切换电路的优点是切换速度快，可以实现无缝切换，避免了机载设备的重启；整流滤波部分将变频三相交流转换为脉动直流，优点是转换效率高，可达85％，直流脉动幅度控制到1V。两电切换电路的功能是实现两种电源的切换，两电切换电路都是指发电机电与外部电的切换，一个用于为备用电池组充电，一个用于为载荷供电。
电源切换与电源管理模块101，实现的电压变换指的是将整流滤波后的脉动直流变换为机载28V直流。电源切换与电源管理模块101实现的备用电池组在线充电功能是指：当无人机使用外部供电或发电机供电时，自动给备用电池组充电，外部电为29.5～30V，发电机电为28V，充电电路根据充电电压的不同自动变换大/小电流充电。其中外部电源给电池组充电只发生在地面，大电流充电有利于节省充电时间；发电机给电池组充电一般发生在飞行中，小电流充电有利于减小充电功耗。
供配电模块102，用于实现对自驾仪、舵机、ECU(ElectronicControlUnit，电子控制单元)、短报文设备、电台及内部控制电路的供配电。优点是供配电分配合理，对自驾仪、舵机、ECU、电台等机载设备的电源均做了隔离处理，使得供配电部分更稳定可靠。
数据采集与接口转换模块103，用于实现电池组电压采集、ECU数据组帧、TTL(晶体管-晶体管逻辑电平)到RS232的电平转换及对主电源模块和两电切换电路的控制功能。
数据流关系与流向：ECU将数据通过一路串口发送给MCU(微处理单元)，MCU将ECU数据与自身采集的电池组电压等数据组包后通过另一路串口发送给自驾仪。当发动机转速达到第一设定值，整流滤波转换后的功率足以满足除载荷外的其他机载设备使用时，MCU控制使能主电源模块，否则禁止主电源模块；当发动机转速达到第二设定值，转换后的功率足以满足所有机载设备使用时，MCU控制发电机电给载荷供电，否则禁止发电机电给载荷供电。
参照图2所示，为本发明实施例的小型无人机机载电源管理与控制设备结构示意图。
为了解决电源管理与控制板较大的问题，将主电源块5和ECU电源块12单独做在一个电源立板2上，并与主板3采用栈接(所述栈接是指采用接插件之间对插的方式，可方便拆卸)的方式，同时，电源立板2上的两个电源块与盒体1紧贴散热，另外，将盒体1的两侧分别开孔(包括排风孔7及进气孔10)，一侧装上小排风扇4，用于将盒子内部的热量尽快排出。图中还示出了整流桥6、航插8、电源模块9、滤波电容11。
图3为本发明实施例的小型无人机机载电源管理与控制设备外部结构示意图。
图4为本发明实施例的小型无人机机载电源管理与控制设备的主板与电源立板栈接示意图。图中示出了电源立板401，主板402，立板栈接连接器403，主板栈接连接器404，电源立板401与主板402通过立板栈接连接器403及主板栈接连接器404连接。
为了解决无人机的航时问题，本发明开发了一种小型无人机电源管理与控制系统及设备，实现机上三相交流发电机三相电源的整流滤波变换，备用电池组、发电机电及外部电的自动切换，备用电池组在线充电，机上航电设备供配电，机上主电源电压监测及串口数据的转发等功能。本发明可以作为小型无人机的电源管理与控制设备，其主要特点是集成度高，轻小型。经过试验证明，使用这种电气管理与控制设备作为电气系统的核心设备，解决了机载发电机供电及多电切换，电池组在线充电等问题。设备运行稳定，使得无人机的航时及系统可靠性大大提升。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种小型无人机机载电源管理与控制系统，其特征在于，包括：
电源切换与电源管理模块，供配电模块，数据采集与接口转换模块；
所述电源切换与电源管理模块，用于实现发电机三相电源的整流滤波、电源切换、电压变换及备用电池组在线充电；
所述供配电模块，用于实现对自驾仪、舵机、电子控制单元、短报文设备、电台及内部控制电路的供配电；
所述数据采集与接口转换模块，用于实现电池组电压采集、ECU数据组帧、TTL到RS232的电平转换及对主电源模块和两电切换电路的控制。
2.如权利要求1所述的小型无人机机载电源管理与控制系统，其特征在于，所述电源切换与电源管理模块包括：
三电切换电路，用于完成备用电池组、外部电源和发电机整流滤波电源的自动切换。
3.如权利要求2所述的小型无人机机载电源管理与控制系统，其特征在于，
所述三电切换电路，用于当三电都在线时，由外部电源供电；当发电机和备用电池组电在线时，由发电机供电；当发电机电断开时，自动切换到备用电池组供电。
4.如权利要求1所述的小型无人机机载电源管理与控制系统，其特征在于，所述电源切换与电源管理模块用于实现备用电池组在线充电，包括：充电电路根据充电电压的不同自动变换电流大小进行充电。
5.如权利要求1所述的小型无人机机载电源管理与控制系统，其特征在于，所述数据采集与接口转换模块，进一步用于当发动机转速达到第一设定值，整流滤波转换后的功率足以满足除载荷外的其他机载设备使用时，控制使能主电源模块，否则禁止主电源模块；当发动机转速达到第二设定值，转换后的功率足以满足所有机载设备使用时，控制发电机电给载荷供电，否则禁止发电机电给载荷供电。
6.一种小型无人机机载电源管理与控制设备，其特征在于，包括：
盒体；
主电源块；
ECU电源块，与所述主电源块单独做在一个电源立板上，所述电源立板与主板采用栈接的方式连接，电源立板上的主电源块及ECU电源块与盒体紧贴散热；
所述盒体的两侧分别开孔，一侧设置有排风扇。
7.如权利要求6所述的小型无人机机载电源管理与控制设备，其特征在于，
所述电源立板与所述主板通过立板栈接连接器及主板栈接连接器连接。
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