CN107069930A - 一种无人机能量调理电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机能量调理电路及方法，电路包括备用电池充放电电流调整单元、信号测量单元和控制驱动单元；所述备用电池充放电电流调整单元的电源端连接发电机、负载备用电池；控制驱动单元与备用电池充放电电流调整单元的四个控制端连接；信号测量单元分别连接负载、控制驱动单元、备用电池充放电电流调整单元和备用电池。发电机发出的电提供给负载，当发电量超过负载用电量时，备用电池充放电电流调整单元将多余的电能输入到备用电池进行存储，当出现负载需求电能大于发电机输出电能或者发电机出现故障、燃料不足等情况时，备用电池充放电电流调整单元控制备用电池输出能量到负载。本方案适用于基于燃料发动机的无人机。

Description

一种无人机能量调理电路及方法
技术领域
本发明涉及能源领域的热动力电源系统，尤其涉及一种基于热动力电源系统的无人机能量调理电路及方法。
背景技术
无人机可以通过无线电控制器从远端位置进行控制，或基于预编程组态自行运转。根据子系统的负载要求，无人机有几种电源方案，包括电池电源系统，太阳能电源系统及燃料动力电源系统。电池电源系统的能量完全由电池提供，不管其使用铅酸电池、镍氢电池还是锂电池等。由于电池的能量密度和使用寿命有限，这种方案仅适用于运行时间短、功率小的无人机。太阳能电源系统清洁环保、使用寿命长，但光伏发电具有间歇性和随机性，在阴天、雨、雪天等不良天气条件下将无法使用，而且太阳能电池能源密度很低，不适用于大载荷无人机，尤其是多旋翼无人机。燃料动力电源系统解决了使用时间短、使用寿命不长、环境条件受限及燃料能量损失大效率低的问题。
典型的燃料动力电源系统中，燃料经过发动机、发电机转化为三相交流电源，该三相交流电源经过不控整流器转换为直流电源，该直流电源供给后级负载使用。同时，该系统还配有备用电池，当燃料耗尽或发电机故障停机时，由该备用电池提供紧急动力，提高整机的冗余度及可靠性；当无人机处于巡航等低功耗阶段时，由该备用电池存储发电机发出的多余电量，提高燃料经济性。这就存在一个如何有效分配发电机发出的电量供给后级各组件的问题。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的能量分配不够准确、效率较低等的技术问题，提供一种可以提高能量利用率、使发电系统输出稳定、减少发电系统调节量的无人机能量调理电路。
本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种无人机能量调理电路，包括备用电池充放电电流调整单元、信号测量单元和控制驱动单元；所述备用电池充放电电流调整单元的第一电源端连接发电机的第一输出端、负载的第一输入端和备用电池的第一端，备用电池充放电电流调整单元的第二电源端连接发电机的第二输出端、负载的第二输入端和备用电池的第二端；控制驱动单元与备用电池充放电电流调整单元的四个控制端连接；信号测量单元分别连接负载、控制驱动单元、备用电池充放电电流调整单元和备用电池。
发电机发出的电提供给负载（无人机电动机），当发电量超过负载用电量时，备用电池充放电电流调整单元将多余的电能输入到备用电池进行存储，当出现负载需求电能大于发电机输出电能或者发电机出现故障、燃料不足等情况时，备用电池充放电电流调整单元控制备用电池输出能量到负载，以满足负载的需求。信号测量单元测量负载、备用电池的状态并反馈到控制驱动单元，使控制驱动单元能够实现对备用电池充放电电流调整单元的准确控制。
作为优选，所述备用电池充放电电流调整单元包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和电感；所述第一MOS管的漏极和第二MOS管的漏极连接并作为备用电池充放电电流调整单元的第一电源端；第一MOS管的源极连接第三MOS管的漏极，第二MOS管的源极连接第四MOS管的漏极；电感第一端连接第一MOS管的源极，电感第二端连接第二MOS管的源极；第三MOS管的源极和第四MOS管的源极连接并作为备用电池充放电电流调整单元的第二电源端；第一MOS管的栅极、第二MOS管的栅极、第三MOS管的栅极和第四MOS管的栅极为备用电池充放电电流调整单元的四个控制端。
使用MOS管作为开关，可以使系统具有极高的可靠性和较长的使用寿命。
作为优选，所述信号测量单元包括第一电流传感器、第二电流传感器和电压传感器；所述第一电流传感器串接在负载的第一输入端上，第二电流传感器串接在备用电池的第一端上，电压传感器跨接在备用电池充放电电流调整单元的第一电源端和第二电源端之间；第一电流传感器、第二电流传感器和电压传感器的信号输出端都连接到控制驱动单元。
第一电流传感器检测负载的输入电流，第二电流传感器检测备用电池的输入电流和输出电流，电压传感器检测备用电池充放电电流调整单元第一电源端和第二电源端的电压。
作为优选，所述控制及驱动电路包括LM5008单片机。LM5008单片机还与无人机的总控制器连接，实时获取飞行姿态、速度、高度、发动机运行状态等信息，从而判断负载所需的功率，并进行合理调整。
作为优选，所述发电机的输入轴连接发动机的输出轴。发动机为燃料发动机，将化学能转化为机械能，然后通过发电机转化为电能，提供给负载和备用电池。
本方案合理分配前级燃料动力电源供给的直流电源以满足不同工况需求，当无人机处于起飞、下降或加速等大功耗情况下，能量调理电路使得备用电池处于待机状态，前级供给的电能全部供给负载使用；当无人机处于巡航、减速等低功耗情况下，能量调理电路使负载多余电量存储在备用电池中；当前级燃料动力电源发生故障停机时，能量调理电路使备用电池处于工作状态，给负载提供应急电能，既保证了无人机的可靠性及冗余度又提高了燃料的使用效率。
本方案没有机械式开关，全部使用电子开关，可靠性高，使用寿命长。
一种无人机能量调理方法，包括以下步骤：
A、检测无人机自身位置到起飞点的距离，并计算返回起飞点所需电量E1；
B、判断发电机输出是否正常，如果发电机输出低于安全下限，则控制驱动单元通过备用电池充放电电流调整单元备用电池输出电能到负载；如果发电机输出高于安全下限则进入步骤C；
C、如果备用电池电量少于E1的1.2倍，则备用电池不进入输出模式；
D、如果备用电池电量等于或大于E1的1.2倍且小于E1的1.5倍，则备用电池的输出模式为低输出模式；
E、如果备用电池电量等于或大于E1的1.5倍，则备用电池的输出模式为正常模式。
作为优选，所述正常输出模式下，备用电池的输出功率K为负载需求功率与发电机输出功率的差值；所述低输出模式下，备用电池的输出功率K由以下公式确定：
K=[0.5(E-1.2E1)/0.3E1+0.3]×E0
式中，E为备用电池电量，E0为负载需求功率与发电机输出功率的差值。
通过上述方法可以使备用电池的电量始终维持在安全线以上，并且有能力在发电机或电动机失效情况下让本机飞回起飞点，防止出现失去动力而导致坠机的情况。通过适当调整备用电池的输出功率，可以提高对突发情况的应对能力。
本发明带来的实质性效果是，可以合理分配前级发电机输出的直流电源，以满足不同工况需求，并且将多余能量进行存储，以备后续使用，提高了能量的利用率和系统的可靠性。
附图说明
图1是本发明的一种电路结构图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种无人机能量调理电路，如图1所示，包括备用电池充放电电流调整单元、信号测量单元和控制驱动单元19；所述备用电池充放电电流调整单元的第一电源端连接发电机16的第一输出端、负载17的第一输入端和备用电池18的第一端，备用电池充放电电流调整单元的第二电源端连接发电机的第二输出端、负载的第二输入端和备用电池的第二端；控制驱动单元与备用电池充放电电流调整单元的四个控制端连接；信号测量单元分别连接负载、控制驱动单元、备用电池充放电电流调整单元和备用电池。
发电机发出的电提供给负载（无人机电动机），当发电量超过负载用电量时，备用电池充放电电流调整单元将多余的电能输入到备用电池进行存储，当出现负载需求电能大于发电机输出电能或者发电机出现故障、燃料不足等情况时，备用电池充放电电流调整单元控制备用电池输出能量到负载，以满足负载的需求。信号测量单元测量负载、备用电池的状态并反馈到控制驱动单元，使控制驱动单元能够实现对备用电池充放电电流调整单元的准确控制。
备用电池充放电电流调整单元包括第一MOS管11、第二MOS管12、第三MOS管13、第四MOS管14和电感15；所述第一MOS管的漏极和第二MOS管的漏极连接并作为备用电池充放电电流调整单元的第一电源端；第一MOS管的源极连接第三MOS管的漏极，第二MOS管的源极连接第四MOS管的漏极；电感第一端连接第一MOS管的源极，电感第二端连接第二MOS管的源极；第三MOS管的源极和第四MOS管的源极连接并作为备用电池充放电电流调整单元的第二电源端；第一MOS管的栅极、第二MOS管的栅极、第三MOS管的栅极和第四MOS管的栅极为备用电池充放电电流调整单元的四个控制端。
使用MOS管作为开关，可以使系统具有极高的可靠性和较长的使用寿命。
信号测量单元包括第一电流传感器20、第二电流传感器21和电压传感器22；所述第一电流传感器串接在负载的第一输入端上，第二电流传感器串接在备用电池的第一端上，电压传感器跨接在备用电池充放电电流调整单元的第一电源端和第二电源端之间；第一电流传感器、第二电流传感器和电压传感器的信号输出端都连接到控制驱动单元。
第一电流传感器检测负载的输入电流，第二电流传感器检测备用电池的输入电流和输出电流，电压传感器检测备用电池充放电电流调整单元第一电源端和第二电源端的电压。
控制及驱动电路包括LM5008单片机。LM5008单片机还与无人机的总控制器连接，实时获取飞行姿态、速度、高度、发动机运行状态等信息，从而判断负载所需的功率，并进行合理调整。
发电机的输入轴连接发动机的输出轴。发动机为燃料发动机，将化学能转化为机械能，然后通过发电机转化为电能，提供给负载和备用电池。
本方案合理分配前级燃料动力电源供给的直流电源以满足不同工况需求，当无人机处于起飞、下降或加速等大功耗情况下，能量调理电路使得备用电池处于待机状态，前级供给的电能全部供给负载使用；当无人机处于巡航、减速等低功耗情况下，能量调理电路使负载多余电量存储在备用电池中；当前级燃料动力电源发生故障停机时，能量调理电路使备用电池处于工作状态，给负载提供应急电能，既保证了无人机的可靠性及冗余度又提高了燃料的使用效率。
本方案没有机械式开关，全部使用电子开关，可靠性高，使用寿命长。
一种无人机能量调理方法，包括以下步骤：
A、检测无人机自身位置到起飞点的距离，并计算返回起飞点所需电量E1；
B、判断发电机输出是否正常，如果发电机输出低于安全下限，则控制驱动单元通过备用电池充放电电流调整单元备用电池输出电能到负载；如果发电机输出高于安全下限则进入步骤C；
C、如果备用电池电量少于E1的1.2倍，则备用电池不进入输出模式；
D、如果备用电池电量等于或大于E1的1.2倍且小于E1的1.5倍，则备用电池的输出模式为低输出模式；
E、如果备用电池电量等于或大于E1的1.5倍，则备用电池的输出模式为正常模式。
作为优选，所述正常输出模式下，备用电池的输出功率K为负载需求功率与发电机输出功率的差值；所述低输出模式下，备用电池的输出功率K由以下公式确定：
K=[0.5(E-1.2E1)/0.3E1+0.3]×E0
式中，E为备用电池电量，E0为负载需求功率与发电机输出功率的差值。
通过上述方法可以使备用电池的电量始终维持在安全线以上，并且有能力在发电机或电动机失效情况下让本机飞回起飞点，防止出现失去动力而导致坠机的情况。通过适当调整备用电池的输出功率，可以提高对突发情况的应对能力。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了充放电电流调整、信号测量、MOS管等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (7)

1.一种无人机能量调理电路，其特征在于，包括备用电池充放电电流调整单元、信号测量单元和控制驱动单元；所述备用电池充放电电流调整单元的第一电源端连接发电机的第一输出端、负载的第一输入端和备用电池的第一端，备用电池充放电电流调整单元的第二电源端连接发电机的第二输出端、负载的第二输入端和备用电池的第二端；控制驱动单元与备用电池充放电电流调整单元的四个控制端连接；信号测量单元分别连接负载、控制驱动单元、备用电池充放电电流调整单元和备用电池。
2.根据权利要求1所述的一种无人机能量调理电路，其特征在于，所述备用电池充放电电流调整单元包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管和电感；所述第一MOS管的漏极和第二MOS管的漏极连接并作为备用电池充放电电流调整单元的第一电源端；第一MOS管的源极连接第三MOS管的漏极，第二MOS管的源极连接第四MOS管的漏极；电感第一端连接第一MOS管的源极，电感第二端连接第二MOS管的源极；第三MOS管的源极和第四MOS管的源极连接并作为备用电池充放电电流调整单元的第二电源端；第一MOS管的栅极、第二MOS管的栅极、第三MOS管的栅极和第四MOS管的栅极为备用电池充放电电流调整单元的四个控制端。
3.根据权利要求1或2所述的一种无人机能量调理电路，其特征在于，所述信号测量单元包括第一电流传感器、第二电流传感器和电压传感器；所述第一电流传感器串接在负载的第一输入端上，第二电流传感器串接在备用电池的第一端上，电压传感器跨接在备用电池充放电电流调整单元的第一电源端和第二电源端之间；第一电流传感器、第二电流传感器和电压传感器的信号输出端都连接到控制驱动单元。
4.根据权利要求1或2所述的一种无人机能量调理电路，其特征在于，所述控制及驱动电路包括LM5008单片机。
5.根据权利要求3所述的一种无人机能量调理电路，其特征在于，所述发电机的输入轴连接发动机的输出轴。
6.一种无人机能量调理方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、检测无人机自身位置到起飞点的距离，并计算返回起飞点所需电量E1；
B、判断发电机输出是否正常，如果发电机输出低于安全下限，则控制驱动单元通过备用电池充放电电流调整单元备用电池输出电能到负载；如果发电机输出高于安全下限则进入步骤C；
C、如果备用电池电量少于E1的1.2倍，则备用电池不进入输出模式；
D、如果备用电池电量等于或大于E1的1.2倍且小于E1的1.5倍，则备用电池的输出模式为低输出模式；
E、如果备用电池电量等于或大于E1的1.5倍，则备用电池的输出模式为正常模式。
7.根据权利要求6所述的一种无人机能量调理方法，其特征在于，所述正常输出模式下，备用电池的输出功率K为负载需求功率与发电机输出功率的差值；所述低输出模式下，备用电池的输出功率K由以下公式确定：
K=[0.5(E-1.2E1)/0.3E1+0.3]×E0
式中，E为备用电池电量，E0为负载需求功率与发电机输出功率的差值。
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周迪;周洁敏;张红梅;: "多电飞机供电控制系统仿真研究", 重庆理工大学学报(自然科学), no. 11, pages 111 - 120 *
马正华;陈杰;陈岚萍;范文韬;: "四旋翼无人机陀螺仪实现姿态稳定性控制", 计算机仿真, no. 10, pages 32 *

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