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TOP2 揭秘以mega16l為核心的無人機(jī)充放電電路
小型旋翼機(jī)器人是以模型直升機(jī)為載體， 裝備上傳感器單元， 控制單元和伺服機(jī)構(gòu)等裝置以實(shí)現(xiàn)自主飛行。而為了提高飛機(jī)的安全性， 需要設(shè)計(jì)一套設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)， 實(shí)時(shí)的監(jiān)測飛機(jī)的姿態(tài)信息， 機(jī)載設(shè)備的狀況以及電源的情況等。該平臺(tái)所使用的電源是兩節(jié)鋰電池串聯(lián)組成的電池組， 利用鋰離子電池的充放電特性， 設(shè)計(jì)了一套以mega16l 為核心的充放電管理系統(tǒng)。鋰電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)， 與鎳鎘電池、鎳氫電池不太一樣的是必須考慮充電、放電時(shí)的安全性，以防止特性劣化。因此在系統(tǒng)運(yùn)行過程中， 為了保護(hù)鋰電池的安全， 設(shè)計(jì)了一套欠壓保護(hù)電路， 以防止電源管理系統(tǒng)因過用而發(fā)生電池特性和耐久性特性劣化。
電源管理系統(tǒng)總體框架
無人機(jī)電源管理系統(tǒng)是飛機(jī)實(shí)現(xiàn)自主飛行的重要組成部分， 其大致框架如圖1 所示。在該系統(tǒng)中， 利用AXI 公司生產(chǎn)的2212/ 34 型號(hào)發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為220V 交流電， 再經(jīng)過整流穩(wěn)壓后輸出11.6V 的直流電壓， 可由該輸出電壓為兩節(jié)鋰電池充電。電源管理系統(tǒng)的控制器是meg a161單片機(jī)， 該控制器通過檢測兩節(jié)鋰電池的電壓大小從而控制繼電器開關(guān)來對(duì)電池進(jìn)行充放電管理。
圖1 電源管理系統(tǒng)框架
控制器采集到電源系統(tǒng)中的信息后， 通過無線傳輸設(shè)備將該數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給地面。地面監(jiān)控平臺(tái)還可以發(fā)送一些指令給mega16l， 通過控制繼電器開關(guān)來控制電池充放電， 從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測和控制飛機(jī)的目的。機(jī)上電源模塊由兩節(jié)英特曼電池有限公司生產(chǎn)的鋰電池組成， 電池組電量充足時(shí)電壓為8？？ 4V.電池的荷電量與整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān)， 電池剩余電量越多， 系統(tǒng)的可靠性越高， 因此飛行時(shí)能實(shí)時(shí)獲得電池的剩余電量， 這將大大提高飛機(jī)的可靠性。
電源監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
直升機(jī)能順利完成飛行任務(wù)， 充足的電源供應(yīng)不可或缺，由鋰電池的特性可知， 在過度放電的情況下， 電解液因分解而導(dǎo)致電池特性劣化并造成充電次數(shù)降低。因此為了保護(hù)電池的安全， 電源系統(tǒng)在給控制系統(tǒng)供電前要經(jīng)過欠壓保護(hù)模塊和穩(wěn)壓模塊。為了預(yù)測電源系統(tǒng)中剩余的電量， 這里采用檢測電源系統(tǒng)電壓的方法， 在測得系統(tǒng)的電源電壓后， 查找由放電曲線建立的數(shù)據(jù)庫， 就能估計(jì)出電源系統(tǒng)中所剩余的電量。
單片機(jī)所需要的電源電壓是2. 7 ~ 5.5V， 因此可為meg a16l 設(shè)計(jì)外部基準(zhǔn)電壓為2.5V， 該基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路如圖2所示。所以系統(tǒng)要檢測電池的電壓， 需要將電池用電阻進(jìn)行分壓且最大分得的電壓值不能超過2.5V.控制器測得的電壓值乘上電壓分壓縮小的倍數(shù)后， 就能得到電源系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)電壓。時(shí)刻監(jiān)測鋰電池的用電情況， 防止電池過用現(xiàn)象出現(xiàn)， 就能達(dá)到有效使用電池容量和延長壽命的目的。
圖2 基準(zhǔn)電壓電路
直流無刷電機(jī)電路
無刷直流電機(jī)是由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成， 是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。直流無刷電機(jī)與一般直流電機(jī)具有相同的工作原理和應(yīng)用特性， 而其組成是不一樣的， 除了電機(jī)本身外， 前者還多一個(gè)換向電路， 直流無刷電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本身是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換部分， 它除了電機(jī)電樞、永磁勵(lì)磁兩部分外， 還帶有傳感器。該發(fā)電機(jī)的部分AC-DC 電路如圖3 所示。
圖3 無刷電機(jī)AC-DC 電路
充電電路
鋰離子電池的充電特性和鎳鎘、鎳氫電池的充電特性有所不同， 鋰離子電池在充電時(shí)， 電池電壓緩慢上升， 充電電流逐漸減小， 當(dāng)電壓達(dá)到4.2V 左右時(shí)， 電壓基本不變， 充電電流繼續(xù)減小。因此對(duì)于改型充電器可先用先恒流后恒壓充電方式進(jìn)行充電， 具體充電電路如圖4 所示。該電路選用LM2575(＄0.9360)ADJ 組成斬波式開關(guān)穩(wěn)壓器， 最大充電電流為1A.
圖4 高效開關(guān)型恒流/ 恒壓充電器部分電路
該電路工作原理如下： 當(dāng)電池接入充電器后， 該電路輸出恒定電流， 對(duì)電池充電。該充電器的恒流控制部分由雙運(yùn)放LM358(＄0.0737) 的一半、增益設(shè)定電阻R3 和R4 、電流取樣電阻R5 和1. 23V 反饋基準(zhǔn)電壓源組成。剛接入電池后， 運(yùn)放LM358 輸出低電平， 開關(guān)穩(wěn)壓器LM2575-ADJ 輸出電壓高， 電池開始充電。當(dāng)充電電流上升到1A 時(shí)， 取樣電阻R5 （50m 歐） 兩端壓降達(dá)到50mV， 該電壓經(jīng)過增益為25 的運(yùn)放放大后， 輸出1.23V 電壓， 該電壓加到LM2575 的反饋端， 穩(wěn)定反饋電路。當(dāng)電池電壓達(dá)到8.4V 后，LM3420(＄0.9940) 開始控制LM2575ADJ 的反饋腳。LM3420 使充電器轉(zhuǎn)入到恒壓充電過程， 電池兩端電壓穩(wěn)定在8？？ 4V.R6 、R7 和C3 組成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)， 保證充電器在恒流/ 恒壓狀態(tài)下穩(wěn)定工作。若輸入電源電壓中斷， 二極管D2 和運(yùn)放LM358 中的PNP 輸入級(jí)反向偏置， 從而使電池和充電電路隔離， 保證電池不會(huì)通過充電電路放電。當(dāng)充電轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)時(shí)， 二極管D3 反向偏置， 因此運(yùn)放中不會(huì)產(chǎn)生灌電流。
TOP3 ATmega2560(＄10.4500)無人機(jī)搖桿微控制器設(shè)計(jì)方案
電源欠壓保護(hù)
電源欠壓保護(hù)由鋰電池的電池放電特性易知， 當(dāng)電池處于3.5V 時(shí)， 此時(shí)電池電量即將用完， 應(yīng)及時(shí)給電池充電， 否則電池電壓將急劇下降直至電池?fù)p壞。于是設(shè)計(jì)了一套欠壓保護(hù)電路如圖5 所示， 利用電阻分壓所得和由TL431(＄0.0625) 設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓比較， 將比較結(jié)果送人LM324(＄0.0900) 放大電路進(jìn)而觸發(fā)由三極管構(gòu)成的開關(guān)系統(tǒng)， 從而控制負(fù)載回路的通阻。試驗(yàn)證明， 當(dāng)系統(tǒng)電壓達(dá)到臨界危險(xiǎn)電壓7V 時(shí)， 系統(tǒng)的輸出電流僅為4mA， 從而防止了系統(tǒng)鋰電池過度放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。
圖5 欠壓保護(hù)電路
由于鋰離子電池能量密度高， 因此難以確保電池的安全性。在過度充電狀態(tài)下， 電池溫度上升后能量將過剩， 于是電解液分解而產(chǎn)生氣體， 因內(nèi)壓上升而發(fā)生自燃或破裂的危險(xiǎn)；反之， 在過度放電狀態(tài)下， 電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化， 從而降低可充電次數(shù)。該充電電路和本管理系統(tǒng)能有效的防治鋰電池的過充和過用， 從而確保了電池的安全， 提高鋰電池的使用壽命。
本文設(shè)計(jì)了一套UAV 電源管理系統(tǒng)， 該系統(tǒng)具有自動(dòng)控制充放電管理， 實(shí)時(shí)監(jiān)測電池電壓等功能。該系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過調(diào)試和試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性， 但是為了保證飛機(jī)安全， 還要做更多的試驗(yàn)以保證無人機(jī)自主飛行的安全和穩(wěn)定。除此之外， 高低頻濾波， 電池電量預(yù)測等也是重要的方向， 需要深入的研究?，F(xiàn)今， 鋰電池的使用范圍越來越廣， 其價(jià)格也相對(duì)適中，如果掌握先進(jìn)的科學(xué)的使用方法， 讓鋰電池發(fā)揮應(yīng)有的最大效用， 將會(huì)節(jié)省大量的資源和財(cái)富。
解讀ATmega2560無人機(jī)搖桿微控制器設(shè)計(jì)方案
隨著無人機(jī)正在成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)和國民收入水平的提高，近年來在高校和民間都得到了更多的關(guān)注。無人機(jī)是無人駕駛飛機(jī)的簡稱，是利用無線電遙控（含遠(yuǎn)程駕駛）、預(yù)設(shè)程序控制和（或）基于機(jī)載傳感器自主飛行的可重復(fù)使用不載人飛機(jī)。目前用無線電遙控的無人機(jī)大部分使用JR或者Futaba公司出品的專用遙控器，這些遙控器優(yōu)點(diǎn)是手感好，方便攜帶，但是價(jià)格高昂，通道數(shù)較少，難以滿足無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)需要較多通道數(shù)的要求。少部分使用PC作為控制平臺(tái)，使用了飛行搖桿作為控制器，能實(shí)現(xiàn)更專業(yè)的功能，通道數(shù)也多，但是攜帶不方便，需要攜帶手提電腦或者PC到外場調(diào)試，還必須考慮電池續(xù)航問題，造價(jià)也比較高昂，且需要專業(yè)的計(jì)算機(jī)軟件知識(shí)進(jìn)行編程。
為解決上述不便，本人提出了一種基于Arduino的無人機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案。Arduino是2005年1月由米蘭交互設(shè)計(jì)學(xué)院的兩位教師David Cuartielles和Massimo Banzi聯(lián)合創(chuàng)建，是一塊基于開放原始代碼的Simple I/O平臺(tái).Arduino具有類似java、C語言的開發(fā)環(huán)境，將AVR單片機(jī)相關(guān)的一些寄存器參數(shù)設(shè)置等都函數(shù)化了，即使不太了解 AVR單片機(jī)的朋友也能輕松上手，設(shè)計(jì)出各種實(shí)用的電路開發(fā)系統(tǒng)，是一款價(jià)格低廉、易于開發(fā)做應(yīng)用的電子平臺(tái)。Arduino包括硬件和軟件在內(nèi)的整個(gè)平臺(tái)是完全開源的。該方案由于采用Arduino平臺(tái)，能快速開發(fā)出用較低成本的飛行搖桿來進(jìn)行操縱航模，體驗(yàn)真實(shí)飛行的感覺。由于接口較多，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 20通道以上，能執(zhí)行各種擴(kuò)展任務(wù)，且不需要攜帶電腦。
系統(tǒng)原理與架構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)框圖如圖1所示，分為兩大部分，分別是地面控制部分和控制執(zhí)行部分。地面控制部分是由單片機(jī)讀取飛行遙桿的數(shù)據(jù)，即可獲得飛行搖桿各個(gè)通道的即時(shí)電壓，通過模式轉(zhuǎn)換后，得到各個(gè)通道的值。將上述值經(jīng)過編碼后通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送出去。
空中指令執(zhí)行部分：
由空中無線數(shù)傳接收到信號(hào)后將指令發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)將指令解析，并轉(zhuǎn)換為飛控系統(tǒng)常用的PPM信號(hào)，該P(yáng)PM信號(hào)可以直接驅(qū)動(dòng)飛控系統(tǒng)做出響應(yīng)動(dòng)作，從而控制無人機(jī)。
模塊原理、設(shè)計(jì)與制作
1.搖桿信號(hào)獲取原理
要得到飛行搖桿當(dāng)前的桿量，一個(gè)方法是通過搖桿的usb接口讀取，由于各個(gè)廠家的通訊協(xié)議都不兼容，有些還必須獲得授權(quán)，實(shí)現(xiàn)起來比較麻煩。另一個(gè)方法是直接獲取搖桿的電位器值。實(shí)際上現(xiàn)在市面上的搖桿除了非常高端的搖桿用了霍爾傳感，大部分都采用了普通的電位器，按照可變電阻來讀取即可。本模塊采用市場上常見的賽鈦客FLY5飛行搖桿，拆開來外殼，所有電位器都是用3P的白色連接插座和電路板連接的，XYZ三軸用來控制飛機(jī)姿態(tài)（升降、副翼和方向），油門由拉桿控制，苦力帽可以用來控制fpv攝像頭云臺(tái)，還有其他的按鍵可以映射為其他通道，例如空中投擲物體，自動(dòng)回家，切換飛行模式等。
2.桿量解析處理模塊
我們采用的單片機(jī)系統(tǒng)采用了ArduinoM E G A 2 5 6 0 開發(fā)板。該開發(fā)板是一塊以ATmega2560為核心的微控制器開發(fā)板，本身具有54組數(shù)字I/O其中14組可做PWM輸出），16組模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端，4 組串口，使用16MHz的晶振。讀取搖桿的XYZ軸的電阻值，只需將電位器的電源和地接在電調(diào)輸出的5v和地上，信號(hào)線接在Arduino板的模擬輸入口上，由于Arduino的AD讀取精度最高是10位，在程序里將電阻值映射成0到1023的數(shù)值，F(xiàn)LY5飛行搖桿的分辨率大概在800~900左右。飛行搖桿的電位器是線性的，反應(yīng)較為靈敏的。實(shí)際測試中搖桿回中后，和打到最大和最小的地方，數(shù)據(jù)會(huì)有一些波動(dòng)和噪點(diǎn)，采用卡爾曼濾波算法進(jìn)行處理，可以獲得平滑的曲線。
2025-08-26 13:48
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