CN112763932A - 一种中小型电推进无人机电源监测系统 - Google Patents

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魏如月
马跃龙
刘玉莹
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Abstract

本发明公开了一种中小型电推进无人机电源监测系统，设有动力、飞行控制与管理和任务设备三部分的电源监测。包括MCU、过压保护电路、报警电路、电流与电压采集电路、电源模块和信号调理电路；MCU作为主控芯片，通过通信总线与上位机连接，将对无人机电源的监测信息传送给上位机；过压保护电路用于限定被监测电压的上限；信号调理电路把采集到的信号降到ADC许用电压，通过电压跟随器实现前后级电路隔离。本发明可同时监测三路电源，具有故障报警和过压保护能力，并能实现宽电压范围的输入。

Description

一种中小型电推进无人机电源监测系统
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种无人机电源监测系统。
背景技术
无人机在军事、农业、空运、灾难救援等方面的应用占比日益提高，其飞行高度高，可携带外接设备，无地形限制等一系列优点和高性价比等优势使得其具有改变各行各业生产方式的无限可能。相较于传统推进系统，电推进系统具有效率高、噪声及污染物/碳排放低等优点，是应对日益严重的环境挑战的重要手段，因此可以预见电推进无人机技术的必将有更长远的发展，也必将给我们的生活带来巨大的变革。
无论电推进无人机的一次能源系统，还是二次能源系统，电能都是至关重要的因素。无人机供电系统故障会导致灾难的后果，故而对各电源进行实时监测，是无人机安全稳定飞行的重要保障。但是中小型电推进无人机供电系统庞杂，动力电池数量多，各路电池容量不尽相同，测量范围不同，单一的电路信号监测不能对飞机进行全面具体的飞行健康评估。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种中小型电推进无人机电源监测系统，设有动力、飞行控制与管理和任务设备三部分的电源监测。包括MCU、过压保护电路、报警电路、电流与电压采集电路、电源模块和信号调理电路；MCU作为主控芯片，通过通信总线与上位机连接，将对无人机电源的监测信息传送给上位机；过压保护电路用于限定被监测电压的上限；信号调理电路把采集到的信号降到ADC许用电压，通过电压跟随器实现前后级电路隔离。本发明可同时监测三路电源，具有故障报警和过压保护能力，并能实现宽电压范围的输入。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种中小型电推进无人机电源监测系统，包括MCU、过压保护电路、报警电路、电流与电压采集电路、电源模块和信号调理电路；
所述MCU为电源监测系统主控芯片，通过通信总线与上位机连接，将对无人机电源的监测信息传送给上位机；
所述过压保护电路与无人机电源连接，用于限定无人机电源被监测电压的上限；
所述报警电路与过压保护电路的输出连接，当过压保护电路的输出大于设定电压阈值时报警；
所述电流与电压采集电路与过压保护电路的输出端连接，实现对过压保护电路输出的电流与电压信号的采集；采集的电路与电压信号输入信号调理电路；
所述信号调理电路包括电压调理电路和电流调理电路；所述电压调理电路把采集到的电压信号降到MCU的许用电压，通过电压调理电路中的电压跟随器实现前后级电路隔离；所述电流调理电路实现电流信号到电压信号的转换；所述信号调理电路的输出信号接入MCU；
所述电源模块将上位机提供的5V电压转换为3.3V，给电源监测系统各部分提供电力。
优选地，所述电源监测系统能够实现对无人机动力、飞行控制和管理源、任务设备三部分电源的监测。
优选地，所述通信总线为I2C或UART或CAN总线。
优选地，所述电源模块采用RT9193-33芯片。
优选地，所述过压保护电路使用MAX16010芯片，用于限定被监测电压的上限，当MAX16010芯片的OUTA输出低电平时，表明被监测电压超过阈值上限，并将OUTA输出的低电平该信号输出给报警电路和电流与电压采集电路；MAX16010芯片外围元件包括采样电压信号VIN和电阻R1、R2、R3；
所述R1、R2和R3的阻值由以下方法确定：
设定RTOTAL＝R1+R2+R3，RTOTAL<5MΩ，给定RTOTAL的值，有：
Figure BDA0002862780060000021
Figure BDA0002862780060000022
R1＝RTOTAL-R2-R3
其中，VTH、VTRIPHIGH和VTRIPLOW均为预设的电压阈值。
优选地，所述报警电路采用蜂鸣器报警，将过压保护电路的OUTA输出的TTL电平通过反相器驱动蜂鸣器实现报警。
优选地，所述MCU采用STM32F4系列芯片作为主控芯片，集成ADC功能使输入电压电流的模拟信号转换为数字信号。
本发明的有益效果如下：
1、本发明可同时监测三路电源且具有故障报警和过压保护能力，集成化程度更高，结构更紧凑，更加安全可靠，实用性也大大提高。
2、本发明还具有宽电压输入范围的特点，并且预留了三种通信方式接口，这使得发明的适用范围更广泛，可根据实际应用场景进行选择。
附图说明
图1为本发明监测系统的框架结构示意图。
图2为本发明的电源模块电路图。
图3为本发明的过压保护电路与报警电路图。
图4为本发明的电压与电流信号采集电路和信号调理电路图，其中图(a)为电压与电流信号采集电路，图(b)为信号调理电路图。
图5为本发明的通信总线电路图，其中图(a)为CAN总线，图(b)为I2C总线，图(c)为UART总线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种中小型电推进无人机电源监测系统，包括MCU、过压保护电路、报警电路、电流与电压采集电路、电源模块和信号调理电路；
所述MCU为电源监测系统主控芯片，通过通信总线与上位机连接，将对无人机电源的监测信息传送给上位机；
所述过压保护电路与无人机电源连接，用于限定无人机电源被监测电压的上限；
所述报警电路与过压保护电路的输出连接，当过压保护电路的输出大于设定电压阈值时报警；
所述电流与电压采集电路与过压保护电路的输出端连接，实现对过压保护电路输出的电流与电压信号的采集；采集的电路与电压信号输入信号调理电路；
所述信号调理电路包括电压调理电路和电流调理电路；所述电压调理电路把采集到的电压信号降到MCU的许用电压，通过电压调理电路中的电压跟随器实现前后级电路隔离；所述电流调理电路实现电流信号到电压信号的转换；所述信号调理电路的输出信号接入MCU；
所述电源模块将上位机提供的5V电压转换为3.3V，给电源监测系统各部分提供电力。
优选地，所述电源监测系统能够实现对无人机动力、飞行控制和管理源、任务设备三部分电源的监测。
优选地，所述通信总线为I2C或UART或CAN总线。
优选地，所述电源模块采用RT9193-33芯片。
优选地，所述过压保护电路使用MAX16010芯片，用于限定被监测电压的上限，当MAX16010芯片的OUTA输出低电平时，表明被监测电压超过阈值上限，并将OUTA输出的低电平该信号输出给报警电路和电流与电压采集电路；MAX16010芯片外围元件包括采样电压信号VIN和电阻R1、R2、R3；
所述R1、R2和R3的阻值由以下方法确定：
设定RTOTAL＝R1+R2+R3，RTOTAL<5MΩ，给定RTOTAL的值，有：
Figure BDA0002862780060000041
Figure BDA0002862780060000042
R1＝RTOTAL-R2-R3
其中，VTH、VTRIPHIGH和VTRIPLOW均为预设的电压阈值。
优选地，所述报警电路采用蜂鸣器报警，将过压保护电路的OUTA输出的TTL电平通过反相器驱动蜂鸣器实现报警。
优选地，所述MCU采用STM32F4系列芯片作为主控芯片，集成ADC功能使输入电压电流的模拟信号转换为数字信号。
具体实施例：
本实施例提供的中小型无人机的电源监测系统，设有动力、飞行控制与管理和任务设备三部分的电源监测。
上位机为无人机的飞控板，用来接收MCU传输的数据，并为MCU提供5V电压。
如图2所示，系统的电源模块将从飞控接入的5V电压经过稳压器RT9193芯片实现稳定的3.3V输出，供系统各个需要3.3V输入电压的元器件使用。电容C1保证了更好的PSRR和线性瞬态响应性能，C3可以降低噪声，提高负载的瞬态响应、稳定性。
如图3所示，过压保护电路使用MAX16010芯片，该芯片能处理5.5V-72V较宽的电源电压范围，具有互补的使能输入和超低功耗，可避免过压状态造成危害。该芯片外围元件包括采样电压信号VIN和电阻R1、R2、R3、R4。当MAX16010芯片的OUTA输出低电平时，表明输入电压超过阈值上限，并将该电平信号输出给报警电路和信号调理电路的电磁继电器。
报警电路采用蜂鸣器报警，将过压保护电路的OUTA输出的TTL电平通过反相器驱动蜂鸣器实现报警。TTL反相器的电路包括输入级、中间级和输出级，由三极管Q1、二极管D1和电阻R5组成输入级，由两个三极管Q3、Q4、二极管D2和电阻R7组成输出级，由三极管Q2和电阻R6、R8组成中间级。蜂鸣器电路由两个电阻R9、R10和三极管Q5组成。当MAX16010芯片的OUTA输出低电平时，反相器将输入的低电平转换为高电平，蜂鸣器报警。
如图4所示，所述电压信号调理电路使用精密电阻分压，把采集到的电压信号降到ADC许用电压，再通过电压跟随器实现前后级电路隔离，将得到的模拟信号传给MCU的ADC接口。所述电流信号调理电路利用一种基于霍尔效应的线性电流传感器芯片MCS1802，将采集到的电流信号传给该芯片，可实现电流信号到电压信号的转换，并将得到的结果传给ADC。
R11和R12阻值的确定由下式给出：
Figure BDA0002862780060000051
其中，VADC_IN为ADC接口输入电压，VOUT为过压保护电路输出电压。
D3为稳压二极管，C5可滤除高频噪声，C7用来调节噪声与带宽的关系。
在电压调理电路前端，当过压保护电路输出低电平时，电磁继电器HK23F将电压调理电路断开；反之，则接通。电磁继电器在低电平输入时断开，达到保护后级电路的目的。
信号采集电路和调理电路包括电压和电流的采集、调理，电压采集、调理电路使用精密电阻R11和R12对接入的电压进行分压，由运放LM358构成电压跟随器。电流采集、调理电路采用基于霍尔效应的MCS1802芯片实现电流信号的监测。
MCU选择基于ARM Cortex-M4内核架构的32位嵌入式微控制器STM32F4系列作为系统的主控制芯片，其集成的ADC功能使得电压电流的模拟信号转换为数字信号，再经过I/O接口实现数据的通信。其内部集成3个I2C接口，4个UART接口和2路CAN总线接口，以及2048Kb的ROM，256Kb的RAM，和丰富的外设资源，可应用户的要求切换三种通信方式。系统设计了三种通信方式将内存中的数据传输出去，分别是UART、I2C、CAN总线。
如图5所示，所述CAN总线通信方式以MAX3051CAN总线收发器为CAN通信控制器与物理层的接口，为通信总线提供了差分收发能力。R15用于调节CAN总线通信速率，当接入0Ω电阻时，CAN总线传输速率达到最大为1Mbps。R16为固定值120Ω，用于吸收信号反射和回波。所述IIC通信方式具有硬件实现简单、扩展性强、抗噪声能力强的优点，能够实现半双工通信。所述串口通信方式支持TTL和经SOP3232串口通信芯片转换的RS232两种电平形式，TTL电平形式的串口通信方式具有传输速率快、带宽大的特点，而RS232电平形式的串口通信方式抗干扰能力强，能在复杂电磁环境和远距离传输中稳定工作，保障了能源数据的通信安全。

Claims (7)

1.一种中小型电推进无人机电源监测系统，其特征在于，包括MCU、过压保护电路、报警电路、电流与电压采集电路、电源模块和信号调理电路；
所述MCU为电源监测系统主控芯片，通过通信总线与上位机连接，将对无人机电源的监测信息传送给上位机；
所述过压保护电路与无人机电源连接，用于限定无人机电源被监测电压的上限；
所述报警电路与过压保护电路的输出连接，当过压保护电路的输出大于设定电压阈值时报警；
所述电流与电压采集电路与过压保护电路的输出端连接，实现对过压保护电路输出的电流与电压信号的采集；采集的电路与电压信号输入信号调理电路；
所述信号调理电路包括电压调理电路和电流调理电路；所述电压调理电路把采集到的电压信号降到MCU的许用电压，通过电压调理电路中的电压跟随器实现前后级电路隔离；所述电流调理电路实现电流信号到电压信号的转换；所述信号调理电路的输出信号接入MCU；
所述电源模块将上位机提供的5V电压转换为3.3V，给电源监测系统各部分提供电力。
2.根据权利要求1所述的一种中小型电推进无人机电源监测系统，其特征在于，所述电源监测系统能够实现对无人机动力、飞行控制和管理源、任务设备三部分电源的监测。
3.根据权利要求1所述的一种中小型电推进无人机电源监测系统，其特征在于，所述通信总线为I2C或UART或CAN总线。
4.根据权利要求1所述的一种中小型电推进无人机电源监测系统，其特征在于，所述电源模块采用RT9193-33芯片。
5.根据权利要求1所述的一种中小型电推进无人机电源监测系统，其特征在于，所述过压保护电路使用MAX16010芯片，用于限定被监测电压的上限，当MAX16010芯片的OUTA输出低电平时，表明被监测电压超过阈值上限，并将OUTA输出的低电平该信号输出给报警电路和电流与电压采集电路；MAX16010芯片外围元件包括采样电压信号VIN和电阻R1、R2、R3；
所述R1、R2和R3的阻值由以下方法确定：
设定RTOTAL＝R1+R2+R3，RTOTAL<5MΩ，给定RTOTAL的值，有：
Figure FDA0002862780050000021
Figure FDA0002862780050000022
R1＝RTOTAL-R2-R3
其中，VTH、VTRIPHIGH和VTRIPLOW均为预设的电压阈值。
6.根据权利要求1所述的一种中小型电推进无人机电源监测系统，其特征在于，所述报警电路采用蜂鸣器报警，将过压保护电路的OUTA输出的TTL电平通过反相器驱动蜂鸣器实现报警。
7.根据权利要求1所述的一种中小型电推进无人机电源监测系统，其特征在于，所述MCU采用STM32F4系列芯片作为主控芯片，集成ADC功能使输入电压电流的模拟信号转换为数字信号。
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