无人机太阳能续航系统的设计与实现

徐朋*

（惠州市技师学院，广东惠州，516000）

无人机太阳能续航系统的设计与实现

徐朋*

（惠州市技师学院，广东惠州，516000）

近几年无人机在很多领域应用得到了迅猛发展，然而续航时长却大大制约无人机这一发展趋势。受电池技术所限，无人机的续航问题一直无法取得实质性的突破。随着无人机技术与太阳能技术的发展，虽然目前太阳能在无人机上的应用还处于探索阶段，但将太阳能技术应用在无人机领域以解决其续航时长问题，不仅绿色环保，还能大大提升无人机的续航时长，提高作业效率。

无人机；太阳能；续航

引言

无人机应用领域最广的就是在农业精准施肥、洒药，植保无人机具有作业效率高、单位面积施药液量小、无需专用起降机场、机动性好、可远距离遥操作等优点，从根本上避免作业人员暴露在农药中的危险，改善了操作者的劳动条件。特别是无人机植保在水田、高秆作物田作业和应对暴发性病虫害等方面已经表现出突出的优势，而且可以应对农村劳动力减少的问题，近年来发展迅猛。但是目前植保无人机尊在的普遍问题就是续航时间较短，有效作业时间一般在13分钟左右。随着单位面积喷洒收入的提升以及土地流转的增加，长续航无人机的需求度会逐步显现出来。增加载药量，增长飞行时间可大大提高无人机的作业效率，因此高效率、长航时的中小型无人机将是今后的发展趋势。

随着近几年无人机的快速发展，无人机已经广泛应用于军事和民用领域，尤其在农业领域的水田、高秆作物田作业和应对暴发性病虫害等方面，更是表现出突出的优势。但续航时长阻碍着其发展。因此,提高中小型无人机续航将是今后的发展趋势。然而，由于电池技术发展缓慢，通过改进现有电池的方法来增加无人机的续航时长在短时间内很难取得突破[1]，我们需要一种新的方法来达到增加续航的目的，而太阳能作为一种绿色环保、取之不尽的能源，成为无人机续航不二的选择。

太阳能无人机利用光电池将太阳能转化为电能，驱动螺旋桨旋转产生飞行动力的飞行器，是我国新世界航空工业重点发展的一个新领域[2]。因为太阳能无人机需要一定的面积来安装太阳能电池，所以目前世界上的太阳能无人机都以固定翼为主。此项研究主要探索的是单晶硅太阳能电池在日常工作中为无人机提供稳定、可靠的电源供给，使得无人机的续航能够得以增加的新方法，同时为其他小型飞行器上的续航提供了解决方案。

1 太阳能无人机平台

无人机一般来说包括感应无人机运动状态的各种传感器、控制无人机运动的处理器、动力驱动器和实现无人机与地面端之间数据交互的通信单元。传感器将外界环境的变化数据化之后交给处理器进行处理和决策，再驱动执行模块带动无人机运动，实现其自主调节控制。大致可以分为4个系统模块：传感器模块、飞行控制系统、动力系统和电源模块。

1.1 传感器模块

无人机的工作方式是由传感器收集目前飞行器的各种状态信息，将收集到的数据反馈到中央处理器也就是飞控当中，飞控通过算法实时控制飞行器的姿态稳定同时通过接收机接受飞手通过遥控器发出的指令控制飞行器在空中做出相应的姿态变化。

1.2 飞行控制系统

飞行控制部分采用了3DR公司生产的PIXHAWK飞行控制器，MCU采用了STM32F4，该控制器拥有2MB的闪存，256KB的数据存储器以及串口总线，12位的ADC等丰富资源，拥有14路PWM。传感器采用了HC-SR04超声波测距传感器、ST公司的L3GD20H陀螺仪、LSM303S加速度传感器以及MEAS公司的MS5611气压计。

1.3 飞行动力系统

动力系统直接决定了无人机的负载和机动性能，采用群汐旋翼多轴盘式电机QM-4208，最大功率350W。电调采用好盈乐天40A电调，这是专门为多旋翼无人机研制的电调，油门响应速度快、自适应能力强并且高度智能化。最高可支持刷新率 621HZ的油门信号，兼容各种飞控。

1.4 电源模块

电池采用容量为5200mAh，电压为14.8V，放电倍率为25C的锂聚合物电池。锂聚合物电池具有比能量高、小型化、轻薄化、轻量化和安全性高等多种优势。聚合物电解质不仅具有良好的导电性，而且还具备高分子材料所特有的质量轻、弹性好、易成膜的特性，也顺应了化学电源质量轻、安全、高效、环保的发展趋势。

1.5 机架模块

机架采用了飞跃680六轴机架，680毫米的轴距保证了飞行时的稳定性。为了方便运输和存放，机架的机臂设计成了可折叠的形式。

2 太阳能续航提升系统

太阳能续航提升系统主要由太阳能电池、锂电池、稳压模块和防回流模块构成。锂电池是在无人机工作时为其提供正常运行所必须的电能；太阳能电池板则是在阳光充足时将太阳光的辐射能通过转换变成电能以提供一部分无人机所需要的能量。

图1 飞行电源系统逻辑框图

2.1 防回流模块

防回流模块（整流模块）是为了防止电池并联的两端电压不相等形成电路的回流，从而造成电池的内耗，浪费电池的电能。

2.2 稳压模块

根据太阳能电池板的发电原理及特性，其输出端电压会随着太阳光辐射的强弱而发生变化，所以需要进行稳压。稳压模块的作用是使太阳能电池板的输出端得到稳定的电压输出，无论输入电压在范围内如何变动，能够使输出电压稳定在设定值不变。稳压电路采用了 LTC3780芯片对输入电压做稳压处理，输入电压在高于、等于、小于输出电压时，输出电压都可以保持稳定不变。

2.3 太阳能电池

太阳能发电关键就在于太阳能电池,其中一个重要的指标就是光电转换效率，目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右。设计采用5V、160mA的太阳能电池板12块，四串三并（并联后电压为20V）的连接方式，通过稳压模块、防回流模块以并联的方式和锂电池一同向无人机系统供电，以减少锂电池电量的消耗。为了能够有效的采集太阳能，本设计采用了 5V、160mA的太阳能电池板12块，四串三并（并联后电压为20V）的连接方式通过稳压模块以并联的方式和锂电池一同向无人机系统供电以减少锂电池电量的消耗。

若有条件则可根据无人机型定制成半球形一体成型太阳能电池板，或根据机型这样能更有效的利用无人机光照面积，以挖掘太阳能电池不多的潜能，提升太阳能无人机续航能力，最大限度的利用太阳能，提供更持久的续航。

3 太阳能无人机的测试

太阳能无人机飞行过程中采用地面遥控器发出控制指令控制无人机的姿态和位置，同时飞控将无人机的实时状态通过OSD回传模块传回地面系统以便于实时查看。飞机在空中通过各种传感器感应自身姿态和外界环境并不断调整。续航能力测试主要是通过控制变量实验测量太阳能无人机采用太阳能充电和无太阳能充电时续航能力的差距，通过测量锂电池单独供电时的飞行时间和有太阳能充电时的飞行时间并对比两者得出数据。由于在测试时各种环境因素（如风力、光照、温度）会对实验实验数据产生影响，使实验变量不单一，所以需要设计一种测量方式，从而减小因外界环境因素产生的误差。

首先，测出无人机在没有装备太阳能续航模块时达到悬停状态的油门百分比并记录为A，装备上太阳能续航模块后无人机达到悬停状态的油门百分比为B。之后将无人机固定在地面上，在锂电池满电的情况下分别做两组实验。第一组实验将油门推到A然后每隔十秒记录一次锂电池的电压。第二组实验将油门推到B后也是每隔十秒记录一次锂电池的电压。两组实验都在锂电池电压下降至14.4V时终止。通过比较两组数据中锂电池电压下降的速率来反应出太阳能续航模块在飞行中所提供的额外电量，这样可以最大程度消弱因外界因素对实验的影响，使数据更加接近真实值。通过此方法测得数据如图2所示。

图2 太阳能续航实验数据密比

无人机在低空飞行时的稳定性显得格外重要。实验让无人机在1米的低空悬停一分钟，然后通过飞控日志查看实时的高度在目标高度是1米时的波动情况。从实验来看，太阳能无人机在低空飞行时高度波动较小，可以满足低空作业的条件。

4 结束语

太阳能无人机顺应了当代绿色环保的要求，然而长航时太阳能无人机的实用化还需要相关技术的发展，利用太阳能作为无人机电源的能量补充从而达到增加无人机续航的目的，从一定程度上缓解了当前多轴无人机续航时长的问题，具有一定的参考借鉴意义。

太阳能无人机以太阳能为能源，对环境无污染，使用灵活、成本低，有着广阔的应用前景，由于太阳能无人机有着众多优势，许多国家都在进行相关技术研究，随着太阳能技术的不断发展，在不久的将来，凭借着其高效、环保、安全的优势，无人机续航时长将会得到大幅度提升，其应用的领域将越来越广泛。

[1]张晓瑛. 锂电池在植保无人机的应用研究[J]. 当代农机,2017,(5)：73-75.

[2]曹金亮,张春光,陈修强,等. 锂聚合物电池的发展、应用及前景[J].电源技术,2014,38(1)： 168-169。

[3]高广林,李占科,宋笔锋,等. 太阳能无人机关键技术分析[J].飞行力学,2010,28(1)： 1-4.

[4]张哲,王春达,李宁,等. 基于STM32的无人机喷洒系统[J]. 电子制作,2016,(6)： 8-9.

[5]邓海强,余雄庆. 太阳能飞机的现状和发展趋势[J]. 航空科学技术,2006,(1)： 28-30.

Design and Realization of Unmanned Aerial Vehicle Life System

XU Peng*
(Huizhou City Technician College,Guangdong Huizhou,516001,China)

UAV; solar energy; life

G305

A

1672-9129(2017)06-0090-02

Summary：In recent years,UAVs have enjoyed rapid development in many fields. However,the life span of UAVs has greatly restricted the development trend of UAVs. Limited by the battery technology,UAV life problem has been unable to make substantial breakthroughs. With the development of UAV technology and solar energy technology,although the application of solar energy in UAV is still in the exploratory stage,the application of solar energy technology in the field of UAV to solve its problem of battery life is not only green but also greatly Improve the duration of UAV life,improve work efficiency.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.031

徐朋. 无人机太阳能续航系统的设计与实现[J]. 数码设计,2017,6(6)： 90-91.

Cite：XU Peng. Design and Realization of Unmanned Aerial Vehicle Life System[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 90-91.

2017-02-13；

2017-03-16。

徐朋，性别：男；出生年月：1966.1；籍贯：浙江绍兴；职务：教师；职称：高级讲师；学历：博士；研究方向：自动控制、计算机应用；工作单位：惠州市技师学院；

E-mail：xp8607@qq.com