CN107600390A - 无人机及其电源管理系统和电源管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无人机及其电源管理系统和电源管理方法。其中电源管理系统包括第一电源模组、第二电源模组以及电源路径控制器。第一电源模组和第二电源模组通过开关模组与负载相连，该开关模组电连接至电源路径控制器。电源路径控制器监控来自无人机系统控制器的飞行模式信息，根据该飞行模式信息确定给供电负载的电源模组，并通过控制开关模组以接通第一电源模组或者第二电源模组为负载供电。该电源管理系统可提高无人机的续航时间并能实现不同电源模组之间的无缝、高效率切换。

Description

无人机及其电源管理系统和电源管理方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种无人机及其电源管理系统和电源管理方法。
背景技术
无人机(UAV,Unmanned Aerial Vehicle)主要应用在航拍、农业植保、测绘等领域。目前随着无线网络传输技术的发展，具有高图像处理能力和高传输能力的无人机大大地拓展了无人机的应用领域。且随着无人机功能的增加，无人机的马达、云台、相机以及飞控的能耗也越来越大，现有的无人机续航一般在二十分钟至四十分钟之间，如何为无人机提供续航支持成为当前亟待解决的课题。
无人机在飞行时无法外接电源，都是通过设于无人机机身内部的锂电池为无人机供电。现有的无人机一般采用单个高功率锂电池作为电源为无人机供电，且现有的无人机通常通过增设电源的方式来提高续航能力。无人机依据监测到的两个电源的电压作为在两个电源之间切换的依据。这种根据检测到的电压，被动切换电源的方式存在效率低下的缺陷，而且只是简单提供备份电源，并未从无人机整个操控和飞行的状态出发提供电源管理。
因此，现有技术的无人机的供电方式还有待改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无人机电源组能耗分配方案，可大大提高续航时间并能实现不同电源模组之间高效、无缝切换的电源管理系统、电源管理方法以及使用该电源管理系统和电源管理方法的无人机。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种电源管理系统，包括：
第一电源模组，用于在高功率飞行模式下给负载供电；
第二电源模组，用于在低功率飞行模式下给负载供电；
电源路径控制器，用于根据无人机的飞行模式选择第一电源模组或第二电源模组给负载供电；
开关模组，电连接于所述第一电源模组与所述电源路径控制器之间，以及电连接于所述第二电源模组与所述电源路径控制器之间；
所述电源路径控制器根据所述无人机的飞行模式控制所述开关模组在所述第一电源模组和所述第二电源模组之间切换以接通所述第一电源模组或所述第二电源模组给所述负载供电。
在本发明的一实施例中，该电源管理系统还包括用于监测负载电流或电压并反馈给所述电源路径控制器的监测电路，所述监测电路一端与所述开关模组的输出端电连接，另一端与负载电连接。
在本发明的一实施例中，所述监测电路为电流监测电路，包括依次电连接的电流检测电阻、电流传感器以及电流监控器，所述电流检测电阻一端与所述开关模组的输出端电连接，另一端与所述负载的输入端电连接，所述电流监控器的输出端与所述电源路径控制器电连接。
在本发明的一实施例中，该电源管理系统还包括用于监测所述无人机的飞行模式以及接收所述电流监控器反馈的负载电流信息的选择器，所述选择器的输入端与所述电流监控器电连接，所述选择器的输出端与所述电源路径选择器电连接。
在本发明的一实施例中，所述电源管理系统还包括：
支持模块，与所述电源路径控制器电连接，用于当没有飞行模式信息或负载电流信息输入所述选择器时给负载供电并使无人机工作在低功率模式下。
在本发明的一实施例中，所述开关模组包括所述电连接于所述第一电源模组与所述电源路径控制器之间的第一开关和电连接于所述第二电源模组与所述电源路径控制器之间的第二开关。
在本发明的一实施例中，所述第一开关和所述第二开关均为P沟道场效应管，所述第一开关和所述第二开关的栅极与所述电源路径控制器电连接。
在本发明的一实施例中，所述第一电源模组为高功率电池，所述第二电源模组为高密度电池。
提供一种无人机，包括机身、设于所述机身内的系统控制器以及与所述机身相连的云台，该无人机还包括如上述所述的电源管理系统。支持模块
提供一种无人机的电源管理方法，所述无人机包括第一电源模组和第二电源模组，所述第一电源模组和所述第二电源模组通过开关模组对无人机供电，所述方法包括：
获取无人机的信息；
当飞行模式为高功率模式则切换所述开关模组导通所述第一电源模组为所述无人机供电，当飞行模式为低功率模式则切换所述开关模组导通所述第二电源模组为所述无人机供电。
在本发明的一实施例中，该方法还包括:
监测负载电流；
判断负载电流值是否大于预设值；
当负载电流值大于预设值时，切换所述开关模组导通所述第一电源模组为无人机供电；当负载电流值小于预设值时，切换所述开关模组导通所述第二电源模组为无人机供电。
本发明的有益效果在于，通过设置两组功率特性不同的电源模组，再由电源路径控制器根据无人机的系统控制器反馈的飞行模式信息以及负载能耗信息，选择使用适合当前飞行状态的电源模组为无人机供电，提高了无人机的续航时间和电源使用效率，同时，还能在两组电源模组间高效无缝切换，在提高续航时间的同时实现平稳飞行。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的无人机的立体图；
图2是本发明实施例提供的电源管理系统的等效电路图；
图3是本发明实施例提供的无人机的电源管理系统在第一切换模式下的原理简图；
图4是本发明实施例提供的电源管理方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种提高续航时间的电源管理系统、电源管理方法以及无人机。
请参考图1，该无人机20包括机身21、设于机身21内的系统控制器25(MCU,Microcontroller Unit)、与机身21相连的云台22、搭载在云台22上的相机23以及设于机身21内部的电源管理系统26。用户通过无线连接无人机20的遥控中心10发送操作指令和控制指令。本实施例中的无人机20可以是四旋翼无人机，也可以是单旋翼无人机、六旋翼无人机等等。该无人机20通过设于机身21上的电机驱动螺旋桨24转动以带动整个无人机20飞行。
如图2所示，该电源管理系统26包括用于获取系统控制器25的飞行模式信息的选择器62、与选择器62电连接的电源路径控制器60、功率特性不同的第一电源模组80和第二电源模组85。第一电源模组80和第二电源模组85通过开关模组C3与电源路径控制器60电连接。选择器62将接收到的无人机的飞行模式信息发送给电源路径控制器60，电源路径控制器60依据接收到的飞行模式信息选择第一电源模组80或第二电源模组85为无人机供电。
该电源管理系统26还可进一步包括一端与开关模组C3电连接，另一端与负载100电连接的监测电路C2。监测电路C2将监测到的流入负载100的电流或负载两端的电压反馈至电源路径控制器60，电源路径控制器60根据监测电路C2反馈的负载电流值或电压值控制开关模组C3以接通第一电源模组80或者第二电源模组85为无人机供电。具体地，在本发明的一实施例中，监测电路C2检测的是负载电流，其包括依次电连接的电流检测电阻90、电流传感器92以及电流监控器94。其中，电流检测电阻90一端与开关模组C3的输出端电连接，另一端与负载100的输入端电连接，电流监控器94将监测到的负载电流反馈给电源路径控制器60。
由此，该电源管理系统26具有根据无人机的飞行模式(悬停模式或巡航模式)在电源模组间切换的第一切换模式，还具有基于监测电路C2反馈的负载电流(或电压)在电源模组间切换的第二切换模式。在第一切换模式中，电源路径控制器60根据无人机的飞行模式控制开关模组C3选择在第一电源模组80和第二电源模组85之间切换以选择适合当前飞行模式的电源模组为无人机供电。其中，第一电源模组80为高功率电池电源模组，可以为无人机传送高能动力；第二电源模组85为低功率电池电源模组，例如，高密度电池电源模组，工作电流小，可提供低功率电源。示例性地，如图3所示，当无人机的飞行模式为高功率飞行模式(例如，悬停模式)时，电源路径控制器60依据该飞行模式信息选择第一电源模组80为无人机供电。当系统控制器25选择的飞行模式为低功率飞行模式巡航模式(例如，巡航模式)时，电源路径控制器60依据该飞行模式信息选择第二电源模组85为无人机供电。而在第二切换模式中，监测电路C2采集流经负载100的电流，当电流值大于设定值时，说明无人机需要高能动力，此时选择第一电源模组80为无人机供电，当电流值小于设定值时，说明无人机只要低功率供电即可，此时选择第二电源模组85为无人机供电。
具体的，第一电源模组80为高功率电池，第二电源模组85为高密度电池。在悬停模式下，为了使无人机平稳起飞和着陆，需要高功率电池为无人机传送高能动力。在巡航模式中，无人机维持平稳飞行即可，继续使用高功率电池供电会造成有限能源的浪费，而高密度电池电流小，可提供低功率电源，正好适应巡航模式。
在一种可选的实施例中，该电源管理系统26还可以包括与电源路径控制器60电连接的支持模块64。当选择器62没有接收到任何来自于系统控制器25的飞行模式信息，也未收到监测电路C2的反馈时，由支持模块64为无人机供电，使之处于低功率的工作模式下。
在本发明的一实施例中，支持模块64为5V恒定电压，为电源路径控制器60持续输入高电平信号。选择器62为或门电路(OR se l ector)。
本实施例提供的该电源管理系统，兼顾无人机降落的高功率需求和巡航飞行的低功率需求，且不造成能源的浪费。使用该电源管理系统可有效提高无人机的续航时长。
在本实施例中，开关模组C3包括电连接第一电源模组80和电源路径控制器60的第一开关81以及电连接第二电源模组85和电源路径控制器60的第二开关86，且第一开关81和第二开关86均与负载100电连接。可以理解的，开关模组C3也可以是由电源路径控制器60控制并且可以在第一电源模组80和第二电源模组85之间切换的双向开关。示例性的地，第一开关81和第二开关86为P沟道场效应管(P-channel MOSFET)。当无人机的系统控制器25选择巡航模式时，该电源路径控制器60控制第二开关86闭合，选择第二电源模组85即低功率电池如高密度电池为无人机供电；当无人机的系统控制器25选择无人机的飞行状态为悬停模式时，该电源路径控制器60选择第一电源模组80即高功率电池为无人机供电。
为了实现稳定的无缝切换，该电源路径控制器60的内容工作过程简述如下：在该第一开关81和第二开关86切换时，该电源路径控制器60采用先断后通的切换方式，以阻止晶体管通道之间的交叉传导和反向导通。
上述的飞行模式是由无人机的系统控制器25根据用户遥控信号或者系统自身航行需要决定的。在第一切换模式下，可以是系统控制器25获取飞行模式信息，再将信号发送至电源路径控制器60，由电源路径控制器60选择合适的电源模组为无人机供电；或者，也可以是由电源路径控制器60根据预存的电源模组选择策略来选择不同飞行模式下给负载供电的电源模组。
在第二切换模式下，由电源路径控制器60和监测电路C2根据负载100的电流消耗在第一电源模组80和第二电源模组85之间进行切换。在该第二切换模式的一种实施方式中，电流监控器94将电流检测电阻90反馈的电流值与预设的电流值进行比较，并将比较结果反馈给该电源路径控制器60，由电源路径控制器60控制第一电源模组80或第二电源模组85为无人机供电。在第二切换模式的另一种实施方式中，电流监控器94将监测的电流值反馈至电源路径控制器60，该电源路径控制器60根据本地存储的判断阈值进行判断，并闭合第一开关81或者第二开关86以接通第一电源模组80或第二电源模组85为无人机供电。该第二切换模式的预设电流值等切换参数基于该高密度电池的容量而定。比如，如果20A(A，安培)为该高密度电池的最大容量，则将电流监控器94的监控电流阈值设置为15A，则该输出至负载100的实际电流大于15A时，该电流监控器94将向该电源路径控制器60输入高电平使能信号，使该电源路径控制器60的输出端Vout切换至高功率电池的供电路径上。
本发明实施例的无人机通过设置功率特性不同的两组电源模组，再由电源路径控制器60根据系统控制器25的飞行模式信息以及负载能耗参数，选择使用适合当前飞行模式的电源模组为无人机供电，可提高无人机百分之二十五到百分之四十的续航时间。
本发明实施例中，该电源管理系统应用在两个电源模组的无人机上。可以理解的是，该电源管理系统也可以应用在包括多个电源模组的无人机上，根据具体的无人机设计需求而定。在其它可能的实施方式中，该电源管理系统可以集成在无人机的系统控制器上。
请参考图4，本发明还提供一种无人机的电源管理方法，该无人机包括第一电源模组和第二电源模组，第一电源模组和第二电源模组通过开关模组对无人机供电，该方法包括如下步骤：
S1、获取无人机的飞行模式信息；
S2、当飞行模式为高功率模式则切换开关模组导通第一电源模组为无人机供电，当飞行模式为低功率模式则切换开关模组导通第二电源模组为无人机供电。
该方法还可以包括：
监测负载电流；
判断负载电流值是否大于预设值。当负载电流值大于预设值时，切换开关模组导通第一电源模组为无人机供电；当负载电流值小于预设值时，切换开关模组导通第二电源模组为无人机供电。
本发明实施例提供的无人机及其电源管理系统和电源管理方法，通过设置功率特性不同的两组电源，使其符合无人机起飞、降落的高功率需求和巡航飞行的低功率需求。且电源管理系统可根据系统控制器的飞行状态参数和/或负载能耗参数，选择使用适合当前飞行状态的电源模组为负载供电，提高了无人机的续航时间和电源使用效率，经测试，使用本发明的电源管理系统可提高无人机百分之二十五到百分之四十的续航时间。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种电源管理系统，其特征在于，包括：
第一电源模组，用于在高功率飞行模式下给负载供电；
第二电源模组，用于在低功率飞行模式下给负载供电；
电源路径控制器，用于根据无人机的飞行模式选择第一电源模组或第二电源模组给负载供电；
开关模组，电连接于所述第一电源模组与所述电源路径控制器之间，以及电连接于所述第二电源模组与所述电源路径控制器之间；
所述电源路径控制器根据所述无人机的飞行模式控制所述开关模组在所述第一电源模组和所述第二电源模组之间切换以接通所述第一电源模组或所述第二电源模组给所述负载供电。
2.根据权利要求1所述的电源管理系统，其特征在于，该电源管理系统还包括用于监测负载电流或电压并反馈给所述电源路径控制器的监测电路，所述监测电路一端与所述开关模组的输出端电连接，另一端与负载电连接。
3.根据权利要求2所述的电源管理系统，其特征在于，所述监测电路为电流监测电路，包括依次电连接的电流检测电阻、电流传感器以及电流监控器，所述电流检测电阻一端与所述开关模组的输出端电连接，另一端与所述负载的输入端电连接，所述电流监控器的输出端与所述电源路径控制器电连接。
4.根据权利要求3所述的电源管理系统，其特征在于，该电源管理系统还包括用于监测所述无人机的飞行模式以及接收所述电流监控器反馈的负载电流信息的选择器，所述选择器的输入端与所述电流监控器电连接，所述选择器的输出端与所述电源路径选择器电连接。
5.根据权利要求4所述的电源管理系统，其特征在于，所述电源管理系统还包括：
支持模块，与所述电源路径控制器电连接，用于当没有飞行模式信息或负载电流信息输入所述选择器时给负载供电并使无人机工作在低功率模式下。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的电源管理系统，其特征在于，所述开关模组包括所述电连接于所述第一电源模组与所述电源路径控制器之间的第一开关和电连接于所述第二电源模组与所述电源路径控制器之间的第二开关。
7.根据权利要求6所述的电源管理系统，其特征在于，所述第一开关和所述第二开关均为P沟道场效应管，所述第一开关和所述第二开关的栅极与所述电源路径控制器电连接。
8.根据权利要求1-7任一项所述的电源管理系统，其特征在于，所述第一电源模组为高功率电池，所述第二电源模组为高密度电池。
9.一种无人机，包括机身、设于所述机身内的系统控制器以及与所述机身相连的云台，其特征在于，还包括如权利要求1-8任一项所述的电源管理系统。
10.一种无人机的电源管理方法，其特征在于，所述无人机包括第一电源模组和第二电源模组，所述第一电源模组和第二电源模组通过开关模组对无人机供电，所述方法包括：
获取无人机的飞行模式信息；
当飞行模式为高功率模式则切换所述开关模组导通所述第一电源模组为所述无人机供电，当飞行模式为低功率模式则切换所述开关模组导通所述第二电源模组为所述无人机供电。
11.根据权利要求10所述的无人机的电源管理方法，其特征在于，该方法还包括:
监测负载电流；
判断负载电流值是否大于预设值；
当所述负载电流值大于预设值时，切换所述开关模组导通所述第一电源模组为所述无人机供电；当所述负载电流值小于所述预设值时，切换所述开关模组导通所述第二电源模组为所述无人机供电。
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