前 言
当今， 空中机器人技能在民用及国防等许多领域中的广泛运用，现已越来越被人们所注重， 并招引了各国专家学者的留意。小型旋翼机器人是以模型直升机为载体， 配备上传感器单元， 操控单元和伺服机构等设备以完结自主飞翔。而为了进步飞机的安全性， 需求规划一套设备监测体系， 实时监测飞机的姿势信息、机载设备的状况以及电源的状况等。
该渠道所运用的电源是两节锂电池串联组成的电池组， 运用锂离子电池的充放电特性， 规划了一套以mega16l 为中心的充放电办理体系。锂电池具有体积小、能量密度高、无回忆效应、循环寿数高、高电压电池和自放电率低一级长处， 与镍镉电池、镍氢电池不太相同的是有必要考虑充电、放电时的安全性，以避免特性劣化。因而在体系运转进程中， 为了维护锂电池的安全， 规划了一套欠压维护电路， 以避免电源办理体系因过用而发生电池特性和耐久性特性劣化。
1 电源办理体系整体结构
无人机电源办理体系是飞机完结自主飞翔的重要组成部分， 其大致结构如图1 所示。在该体系中， 运用AXI 公司出产的2212/ 34 类型发电机将动能转化为220V 交流电， 再经过整流稳压后输出11.6V 的直流电压， 可由该输出电压为两节锂电池充电。电源办理体系的操控器是meg a161单片机， 该操控器经过检测两节锂电池的电压巨细然后操控继电器开关来对电池进行充放电办理。
图1 电源办理体系结构
操控器收集到电源体系中的信息后， 经过无线传输设备将该数据实时传输给地上。地上监控渠道还能够发送一些指令给mega16l， 经过操控继电器开关来操控电池充放电， 然后完结监测和操控飞机的意图。
机上电源模块由两节英特曼电池有限公司出产的锂电池组成， 电池组电量足够时电压为8？？ 4V.电池的荷电量与整个供电体系的牢靠性密切相关， 电池剩下电量越多， 体系的牢靠性越高， 因而飞翔时能实时取得电池的剩下电量， 这将大大进步飞机的牢靠性。
2 电源监控体系的完结
直升机能顺利完结飞翔使命， 足够的电源供给不可或缺。
由锂电池的特性可知， 在过度放电的状况下， 电解液因分化而导致电池特性劣化并形成充电次数下降。因而为了维护电池的安全， 电源体系在给操控体系供电前要经过欠压维护模块和稳压模块。为了猜测电源体系中剩下的电量， 这儿选用检测电源体系电压的办法， 在测得体系的电源电压后， 查找由放电曲线树立的数据库， 就能估量出电源体系中所剩下的电量。
单片机所需求的电源电压是2. 7 ~ 5.5V， 因而可为meg a16l 规划外部基准电压为2.5V， 该基准稳压电路如图2所示。所以体系要检测电池的电压， 需求将电池用电阻进行分压且最大分得的电压值不能超过2.5V.操控器测得的电压值乘上电压分压缩小的倍数后， 就能得到电源体系中的实时电压。时间监测锂电池的用电状况， 避免电池过用现象呈现， 就能到达有用运用电池容量和延伸寿数的意图。
图2 基准电压电路
2.1 硬件规划
2.1.1 直流无刷电机电路
无刷直流电机是由电动机主体和驱动器组成， 是一种典型的机电一体化产品。直流无刷电机与一般直流电机具有相同的作业原理和运用特性， 而其组成是不相同的， 除了电机自身外， 前者还多一个换向电路， 直流无刷电动机的电机自身是机电能量转化部分， 它除了电机电枢、永磁励磁两部格外， 还带有传感器。该发电机的部分AC-DC 电路如图3 所示。
图3 无刷电机AC-DC 电路
2.1.2 充电电路
锂离子电池的充电特性和镍镉、镍氢电池的充电特性有所不同， 锂离子电池在充电时， 电池电压缓慢上升， 充电电流逐步减小， 当电压到达4.2V 左右时， 电压根本不变， 充电电流持续减小。因而关于改型充电器可先用先恒流后恒压充电方法进行充电， 详细充电电路如图4 所示。该电路选用LM2575ADJ 组成斩波式开关稳压器， 最大充电电流为1A.
图4 高效开关型恒流/ 恒压充电器部分电路
该电路作业原理如下： 当电池接入充电器后， 该电路输出恒定电流， 对电池充电。该充电器的恒流操控部分由双运放LM358 的一半、增益设定电阻R3 和R4 、电流取样电阻R5 和1. 23V 反应基准电压源组成。刚接入电池后， 运放LM358 输出低电平， 开关稳压器LM2575-ADJ 输出电压高， 电池开端充电。当充电电流上升到1A 时， 取样电阻R5 （50m 欧） 两头压降到达50mV， 该电压经过增益为25 的运放扩大后， 输出1.23V 电压， 该电压加到LM2575 的反应端， 安稳反应电路。
当电池电压到达8.4V 后， LM3420 开端操控LM2575ADJ 的反应脚。LM3420 使充电器转入到恒压充电进程， 电池两头电压安稳在8？？ 4V.R6 、R7 和C3 组成补偿网络， 确保充电器在恒流/ 恒压状况下安稳作业。若输入电源电压中止，二极管D2 和运放LM358 中的PNP输入级反向偏置， 然后使电池和充电电路阻隔， 确保电池不会经过充电电路放电。当充电转入恒压充电状况时， 二极管D3 反向偏置， 因而运放中不会发生灌电流。
2.1.3 电源欠压维护
电源欠压维护由锂电池的电池放电特性易知， 当电池处于3.5V 时， 此刻电池电量行将用完， 应及时给电池充电， 不然电池电压将急剧下降直至电池损坏。所以规划了一套欠压维护电路如图5 所示， 运用电阻分压所得和由TL431规划的基准电压比较， 将比较成果送人LM324 扩大电路然后触发由三极管构成的开关体系， 然后操控负载回路的通阻。实验证明， 当体系电压到达临界风险电压7V 时， 体系的输出电流仅为4mA， 然后避免了体系锂电池过度放电现象的发生。
图5 欠压维护电路
因为锂离子电池能量密度高， 因而难以确保电池的安全性。在过度充电状况下， 电池温度上升后能量将过剩， 所以电解液分化而发生气体， 因内压上升而发生自燃或决裂的风险；反之， 在过度放电状况下， 电解液因分化导致电池特性及耐久性劣化， 然后下降可充电次数。该充电电路和本办理体系能有用的防治锂电池的过充和过用， 然后确保了电池的安全， 进步锂电池的运用寿数。
2. 2 软件规划
电源办理体系的软件规划首要是meg a16l 经过其8 路10位ADC 端口来检测电池的电压状况， 依据不同的状况采纳相应措施。一旦呈现有电池低于7.0V 的状况，单片机就将该电池切换到充电状况并确保至少有一组电池为负载供电， 且电池1 优先等级高于电池2.首要程序流程图如图6 所示， 程序处于一个无限循环， 单片机时间监测两组电池的电压的状况并回忆当时的充电状况， 一旦放电的电池到达7V 以下， 单片机驱动继电器开关将充电回路切换到该电池并将另一组电池切换为负载回路的电源。
图6 AVR 主程序流程图
程序在运转的进程傍边， 每隔1 秒定时器1 发生一次中止， 经过串口接纳监控渠道发来的指令信息并将飞机的两组电源的实时电压状况、继电器的状况等信息经过无线射频模块发送给地上站以便地上能实时了解到飞机的供电状况。
2. 3 上位机规划
2. 3.1 无线射频模块
电源办理体系的上位机硬件方面首要由无线射频模块、电平转化电路及PC 电脑组成， 大致框图如图1 所示。因射频模块将接纳出来的数据是TTL电平， 再经过max 232 电平转化将其变为RS232 电平传送给电脑， 然后完结飞机和地上的通讯。
该体系之所以能完结远间隔监测飞机， 首要依托无线射频模块的远间隔和高准确度等特性。其首要特色如下所示： （ 1）长间隔特性： 室内/ 城市间隔高达450 米； 室外可视规模： 带2.1dB 偶极天线高达11 公里， 带高增益天线可达32 公里； 接纳器灵敏度为- 110dBm.（ 2） 高档网络和安全： 7 个跳频信道， 每个信道可取得65k 地址， 康复和承认机制以确保牢靠分组传输； 支撑对等网络结构（ 没有主/ 从依靠联系） ， 支撑点对点、点对多和多点接入网络拓扑结构。
由此可知， XT end OEM 无线射频模块在低成本无线数据通讯解决方案中供给了最远的间隔。该模块易于运用， 耗电低， 对设备间重要数据包供给了牢靠的数据传送， 体积紧凑节约名贵的电路板空间。图7 表明的是由XTend OEM 无线射频模块构成的主机间无线连接的体系框图。
图7 主机间无线连接的体系框图
2.3.2 地上监控渠道
监控渠道是整个设备监控体系的重要组成部分， 监控渠道与操控程序之间要求具有双工通讯的。一方面， 飞机渠道上操控器将飞机的实时信息运用数传发到地上， 另一方面， 地上站将指令发给飞机以完结所需求的使命。
