CN111645858A - 一种用于无人旋翼机的系留模块及无人旋翼机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于无人旋翼机的系留模块及无人旋翼机，系留模块包括：输入接口；直流变换单元，输入端与输入接口连接，输出端与输出接口连接，用于对输入高压直流电进行DC‑DC变换以降压输出适配无人旋翼机的直流电；备用电池组输出端通过可控开关与直流变换单元输出端连接；监控单元，包括控制器，采集直流变换单元及备用电池组信息，通信接口与输出接口连接，直流变换单元出现故障时，控制备用电池组代替直流变换单元供电；光电转换单元，其视频、通信接口与输出接口连接，光纤接口与输入接口连接；输出接口，与无人旋翼机连接，供电及提供通道。用于解决现有技术中体积大、重量大、安全性不高等问题，提高集成度，减小体积和重量并提高安全性。

Description

一种用于无人旋翼机的系留模块及无人旋翼机
技术领域
本发明涉及无人机供电应用技术领域，具体是一种用于无人旋翼机的系留模块及无人旋翼机。
背景技术
无人旋翼机具有性价比高、可定点悬停、操作便捷、体积小等优势，作为一种空中飞行平台，可搭载不同载荷实现各种任务。市面上无人旋翼机的供电来源大部分为锂离子电池组，因锂离子电池组容量的限制，无人旋翼机存在留空时间短不能长时工作的问题。为解决此问题，出现了多旋翼系留无人飞行器。多旋翼系留无人飞行器借鉴系留气球的工作模式，地面供电设备经过供电线缆将高压电能传输于无人机端，通过系留模块将无人旋翼机端高压电转换为适合无人旋翼机所需的低压电，为不影响锂离子电池组供电的工作模式，只需将电压转换设备结构尺寸与锂离子电池组尺寸保持一致即可，该方案很好地弥补了多旋翼飞行器留空时间短的缺陷。
但现有的系留模块的重量和体积较大，难以达到无人旋翼机原装锂电池的重量和体积，从而导致系留模块的安装结构必须要另外加装并设计，一方面增加无人旋翼机的设计成本，另一方面会额外增加无人旋翼机的自重。
发明内容
本发明提供一种用于无人旋翼机的系留模块及无人旋翼机，用于克服现有技术中重量和体积大、安全性不高等缺陷，通过高度集成的设计大大减小系留模块的重量和体积，实现能量密度的高度集成，并提高系统的安全性和换能效率。
为实现上述目的，本发明提供一种用于无人旋翼机的系留模块，包括：
光电输入接口，用于连接直流高压光电线缆；
DC-DC变换单元，输入端与光电输入接口的高压电缆相连接，输出端与输出接口连接，用于对输入高压进行DC-DC变换以降压输出适配无人旋翼机的直流电，主要包括基板和安装在基板上的多个变压器，所述基板包括铝基板和复合在所述铝基板上的PCB板，变压器原边均串联，副边均并联；
备用电池组通过可控MOSFET模块、二极管模块后与DC-DC变换单元输出端连接，在DC-DC变换单元输出故障时可无缝为系统供电；
监控单元由DC-DC变换单元的输出进行供电，通过数据采集接口采集DC-DC变换单元输入电压、输出电压电流、工作温度等信息以及备用电池组电量、温度、电芯量等信息，通过RS422通信口将采集到的信息传输于无人旋翼机，可控制MOSFET模块实现备用电池组供电的开/关，同时可通过控制充电模块的开/关实现对备用电池组的在线充电；
光电转换单元由监控单元供电，主要实现光信号与无人旋翼机遥控遥测数据、视频信号的相互转换，从而实现遥控遥测数据、视频信号的长距离传输以及信息传输的抗干扰能力；
输出接口与DC-DC变换单元输出端、监控单元RS422通信接口、光电转换单元RS422接口和两路视频接口、备用电池组的离线充电接口相连接，实现使用外置充电器进行备用电池组的离线充电以及无人旋翼机的供电与通信。
为实现上述目的，本发明还提供一种无人旋翼机，包括机体和安装在所述机体上的系留模块，所述系留模块为上述的用于无人旋翼机的系留模块。
本发明提供的无人旋翼机的系留模块及无人旋翼机，DC-DC变换单元可将供电线缆传输的DC高压电转换为DC低压电为无人旋翼机供电，所述DC-DC变换单元总体思路是高性能功率集成，导热与轻量化结构一体化设计；在该思路下主功率采用移相全桥电路，工艺方面铝基板和PCB复合使用，兼顾走线和散热；变压器采用PCB绕组平面变压器,磁芯尺寸大幅度缩小，同时为了满足高压大功率的转换需求，采用多个变压器原边串联副边并联方式，具有体积小、重量轻、能量密度大的特点；所述备用电池组单元在DC-DC主功率变换单元供电异常情况下，备用电池组在可控MOSFET模块作用下无缝切换至无人旋翼机供电系统，保证不间断供电，从而提高系留模块的供电安全性。所述监控单元可采集DC-DC变换单元以及备用电池组的重要工作信息，实现对其工作状态的监控；所述光电转换单元可将无人旋翼机传输的遥控遥测数据以其载荷传输的视频信号转换为光信号，提高系留模块信息传输的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的用于无人旋翼机的系留模块连接示意框图；
图2a是实施例一中用于无人旋翼机的系留模块的DC-DC变换单元原理框图；
图2b是实施例二中的用于无人旋翼机的系留模块的DC-DC变换单元的主功率变化电路的原理图；
图3为实施例一中用于无人旋翼机的系留模块的备用电池组供电及充电示意图；
图4为实施例一中用于无人旋翼机的系留模块的信息流向图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例一
如图1、图3、图4所示，本发明实施例提供一种用于无人旋翼机的系留模块，包括：
光电输入接口，用于连接直流高压光电线缆；输入高压范围可达：DC560V～DC850V；
DC-DC变换单元，输入端与光电输入接口的高压电缆相连接，输出端与输出接口连接，用于对输入的高压直流电进行DC-DC变换以降压输出适配无人旋翼机的直流电，主要包括基板和安装在基板上的多个变压器，所述基板包括铝基板和复合在所述铝基板上的PCB板，变压器原边均串联，副边均并联；DC-DC变换单元指的是直流变化单元，输入、输出均为直流电，变压器可安装在PCB板上，以便于线路之间的连接，简化电路，结构紧凑，集成化程度高；铝基板用于减重和散热；
备用电池组，输入端具有在线充电接口和离线充电接口，输出端连接有供电开关；供电开关包括MOSFET模块、二极管模块，在DC-DC变换单元输出故障时可无缝为系留模块及无人旋翼机供电；
监控单元，包括处理器和充电模块，由DC-DC变换单元的输出端进行供电，充电模块输入端连接处理器，输出端连接备用电池组的在线充电接口；
处理器通过数据采集接口采集DC-DC变换单元输入电压、输出电压电流、工作温度等信息以及备用电池组电量、温度、电芯量等信息，通过RS422通信口将采集到的信息传输于无人旋翼机；
处理器在高压电上电时输出高电平信号作为第一控制信号，控制可控MOSFET模块动作打开备用电池组的供电开关；根据数据接口采集的DC-DC变换单元的输入电压、输出电压电流、工作温度等信息，判断DC-DC变换单元是否出现故障，例如在输出电压、电流明显低于实际值或基于输入电压和变压器参量的计算值时，则认定DC-DC变换单元内部出现了故障，此时备用电池组代替DC-DC变换单元无缝为无人旋翼机以及系留模块内部各元件(包括监控单元、光电转换单元等)供电；
处理器根据数据接口采集的备用电池组电量、温度、电芯量等信息，判断备用电池组是否需要在线充电，例如在备用电池组电量低于设定值，不能满足供电需求时，则处理器生成高电平信号作为第二控制信号，接收高电平信号后充电模块的开关打开通过DC-DC变换单元实现对备用电池组在线充电；
光电转换单元，由监控单元供电，主要实现光信号与无人旋翼机遥控遥测数据、视频信号的相互转换；光电转换单元将接收的光信号转换为无人旋翼机遥控数据经输出接口传送给无人旋翼机系统；通过通信接口、两路视频接口将无人旋翼机系统经输出接口传送的无人旋翼机遥测数据以及视频信号转换为光信号经光纤传输；从而实现遥控遥测数据、视频信号的长距离传输并提高了信息传输的抗干扰能力。
输出接口，与DC-DC变换单元输出端、监控单元的RS422通信接口、光电转换单元的RS422通信接口和两路视频接口、备用电池组的离线充电接口相连接，实现使用外置充电器进行备用电池组的离线充电以及无人旋翼机的供电与通信。
本发明提供的无人旋翼机的系留模块及无人旋翼机，DC-DC变换单元可将供电线缆传输的DC高压电转换为DC低压电为无人旋翼机供电，所述DC-DC变换单元总体思路是高性能功率集成，导热与轻量化结构一体化设计；在该思路下主功率采用移相全桥电路，工艺方面铝基板和PCB复合使用，兼顾走线和散热；变压器采用PCB绕组平面变压器,磁芯尺寸大幅度缩小，同时为了满足高压大功率的转换需求，采用多个变压器原边串联副边并联方式，具有体积小、重量轻、能量密度大的特点；所述备用电池组单元在DC-DC主功率变换单元供电异常情况下，备用电池组在可控MOSFET模块作用下无缝切换至无人旋翼机供电系统，保证不间断供电，从而提高系留模块的供电安全性。所述监控单元可采集DC-DC变换单元以及备用电池组的重要工作信息，实现对其工作状态的监控；所述光电转换单元可将无人旋翼机传输的遥控遥测数据以其载荷传输的视频信号转换为光信号，提高系留模块信息传输的安全性。
优选地，参见图2a，所述DC-DC变换单元包括主功率电路、原边驱动电路、单片机控制及保护电路(参见图2a中发单片机控制及保护)、辅助电源电路(参见图2a中的辅助电源)、保护线路(参见图2a中副边均流、限流、OVP、欠压保护线路)、反馈补偿电路及信号隔离IC电路(参见图2a中的信号隔离IC，隔离器型号具体采用Si8661)、副边驱动电路；UCC28950为相移控制器的具体型号。
主功率电路输入端Vin用于连接输入直流电压，经降压变换后输出端Vo输出电压为51V；原边驱动电路用于控制主功率电路中原边电路的工作；副边驱动电路用于在相移控制器的作用下控制主功率电路中副边电路的工作；单片机控制及保护电路用于与监控单元的控制器通信对主功率电路中输入电压、输出电流电压及温度等信号进行采集，信号隔离电路用于保证采集信号的准确性，防止被干扰；单片机控制及保护电路同时还负责监控主功率电路中副边绕组的电流、电压等信息，一旦超过限流或副边电流不均则发出控制信号给保护电路，以切断主功率电路中相应的电路或电器元件对主功率电路进行保护；反馈补偿电路用于反馈主功率电路中电器元件的实际参数值给相移控制器，相移控制器据此对控制信号进行补偿以完成对主功率电路的闭环控制；辅助电源用于将主功率电路输出的电压转换后为上述弱电电路供电。
优选地，所述DC-DC变换单元的主功率电路变压器的逆变电路采用移相全桥电路拓扑结构，具有开关管电压应力低的特点，可以在不增加任何辅助电路的基础上利用开关管自身的结电容和变压器的漏感实现开关管的零电压开通。为实现高压输入、功率大、体积小、重量轻的目的，主变压器采用三个PQI40/20磁芯以原边绕组串联、副边绕组并联方式连接，为达到转换后电压的稳定性，变压器副边整流电路采用全波整理形式进行设计。具体参见图2b。
优选地，所述备用电池组包括电芯、MOSFET模块、二极管模块，所述备用电池组电芯输出与MOSFET模块的D极相连接，MOSFET模块的S极接于二极管的正极，二极管负极接于DC-DC变换单元的降压输出端至输出接口；所述MOSFET模块可接收控制信号，用于备用电池组接入供电系统的开/关；所述二极管模块保证备用电池组的单向导通性。备用电池组可通过可控充电模块实现在线充电，也可通过输出接口外接外置充电器实现离线充电。
优选地，所述监控单元包括ARM主控制器、连接在所述ARM主控制器输入端的数据采集电路及连接在所述ARM主控制器输出端的备用电池组可控充电模块、所述MOSFET模块开/关控制模块；由DC-DC变换单元输出端进行供电；
所述数据采集电路用于采集DC-DC变换单元输入电压、输出电压电流、工作温度等信息以及备用电池组电量、温度、电芯电量等信息，软件处理后通过与输出接口连接的RS422通信链路传输于无人旋翼机，与无人旋翼机飞控数据融合后作为遥控遥测数据传输于地面站，用于系留模块工作状态的监控；
所述充电模块实现备用电池组的在线充电，可接收ARM主控制器的控制信号，实现备用电池组充电的在线软件可控功能；
所述ARM主控制器用于将采集的数据进行处理并通过RS422通信链路传输于无人旋翼机，实现系留模块的工作状态监控，同时可根据需求实现备用电池组在线充电、供电输出的开/关控制。
优选地，光电转换单元包括：
供电接口、一路RS422通信接口、两路SDI视频接口、一路光纤接口，主要实现光信号与无人旋翼机遥控遥测数据、视频信号的相互转换；所述供电接口与监控单元连接，所述RS422通信接口与输出接口连接，用于传输无人旋翼机的遥控遥测数据，所述两路SDI视频接口与输出接口连接，用于接收无人机旋翼机载荷的视频信号；所述一路光纤接口与输入接口的光纤连接，提供光信号传输链路。
优选地，所述输出接口与DC-DC变换单元输出端、监控单元RS422通信接口、光电转换单元RS422接口和两路视频接口、备用电池组的离线充电接口相连接，实现使用外置充电器进行备用电池组的离线充电以及无人旋翼机的供电与通信。
优选地，为提高备用电池供电的安全性，所述备用电池组输出端与输出接口之间通过可控MOSFET模块、二极管模块连接，实现备用电池组单向导通向输出接口输出电能。
技术方案的有益效果如下：
(1)现DC-DC变换单元可实现1.1Kg重量下5Kw大功率电能，电能转换效率≥95％；
(2)各组成部分能实现单独控制与状态监测，具有供电备份功能，可提高系统的安全可靠性；
(3)采用模块化设计方法，拆装方便，实现了重量轻型化、体积小型化；
(4)实现备用电池组离线和在线两种充电功能，操作简便；
(5)可与锂离子电池组替换使用，大大拓展了无人旋翼机的应用范围。
实施例二
在实施例一的基础上，本发明实施例还提供一种无人旋翼机，包括机体和安装在所述机体上的系留模块，所述系留模块为任意实施例一所述的用于无人旋翼机的系留模块。
所述无人机采用了上述结构的用于无人旋翼机的系留模块可以实现效率较高的大功率电源变换，系统内各组成部分输出可控，状态可监测，且集成化程度高，具有优良的可靠性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于无人旋翼机的系留模块，其特征在于，包括：
输入接口，用于连接直流高压光电线缆；
DC-DC变换单元，输入端与光电输入接口的高压电缆相连接，输出端与输出接口连接，用于对输入的高压直流电进行DC-DC变换以降压输出适配无人旋翼机的直流电，包括基板和安装在基板上的多个变压器，所述基板包括铝基板和复合在所述铝基板上的PCB板，变压器原边均串联，副边均并联；
备用电池组，输入端具有在线充电接口，输出端连接有供电开关；供电开关与DC-DC变换单元输出端连接；
监控单元，包括控制器和充电模块，由DC-DC变换单元的输出端进行供电，充电模块输入端连接控制器，输出端连接备用电池组的在线充电接口；处理器通过数据采集接口采集DC-DC变换单元以及备用电池组参量信息，通过通信口将采集到的信息传输于无人旋翼机；并根据采集的DC-DC变换单元参量信息生成第一控制信号控制备用电池组的供电开关，根据采集的备用电池组参量信息生成第二控制信号控制充电模块的开关实现对备用电池组在线充电；
光电转换单元，视频接口、通信接口与输出接口连接，光纤接口与输入接口连接，主要实现光信号与无人旋翼机遥控遥测数据、视频信号的相互转换；
输出接口，与DC-DC变换单元输出端、监控单元的通信接口、光电转换单元的通信接口以及视频接口相连接，实现对无人旋翼机的供电与通信。
2.如权利要求1所述的用于无人旋翼机的系留模块，其特征在于，所述DC-DC变换单元的变压器采用移相全桥电路。
3.如权利要求2所述的用于无人旋翼机的系留模块，其特征在于，所述变压器的逆变电路采用移相全桥电路拓扑结构，变压器的副边整流电路采用全波整流电路结构。
4.如权利要求3所述的用于无人旋翼机的系留模块，其特征在于，所述变压器采用三个磁芯以原边绕组串联、副边绕组并联方式连接。
5.如权利要求1所述的用于无人旋翼机的系留模块，其特征在于，所述监控单元，包括ARM主控制器，所述监控单元的数据采集接口包括连接在所述ARM主控制器输入端的数据采集电路，所述备用电池组的充电模块连接在所述ARM主控制器输出端；
所述数据采集电路用于采集DC-DC变换单元的输入电压、输出电压电流、工作温度以及备用电池组电量、温度、电芯电量，并通过输出接口传输于无人旋翼机。
6.如权利要求1所述的用于无人旋翼机的系留模块，其特征在于，所述光电转换单元包括：
供电接口、一路RS422通信接口、两路SDI视频接口、一路光纤接口；
所述供电接口与监控单元连接，所述RS422通信接口与输出接口连接，用于传输无人旋翼机的遥控遥测数据，所述两路SDI视频接口与输出接口连接，用于接收无人机旋翼机载荷的视频信号；所述一路光纤接口与输入接口的光纤连接，提供光信号传输链路。
7.如权利要求1所述的用于无人旋翼机的系留模块，其特征在于，所述备用电池组具有离线充电接口，所述输出接口还包括备用电池组离线充电链路，用于在所述输出接口与外置充电器连接时实现备用电池组的离线充电。
8.如权利要求1所述的用于无人旋翼机的系留模块，其特征在于，所述备用电池组的供电开关包括串联的MOSFET模块和二极管模块，MOSFET模块在监控单元的控制器的控制下实现备用电池组单向导通向输出接口输出电能。
9.如权利要求8所述的用于无人旋翼机的系留模块，其特征在于，所述备用电池组包括电芯，所述备用电池组电芯输出端与MOSFET模块的D极相连接，MOSFET模块的S极接于二极管的正极，二极管负极接于DC-DC变换单元的输出端与输出接口之间。
10.一种无人旋翼机，包括机体和安装在所述机体上的系留模块，其特征在于，所述系留模块为权利要求1～9任一项所述的用于无人旋翼机的系留模块。
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