自发电仿生风筝系统研究

王子涵，丁文斌，徐伊可，鲍润成，李金伟，张 鑫，2*，马国利，2

（1.滨州学院 航空工程学院，山东 滨州 256600；2.山东省航空材料与器件工程技术研究中心，山东 滨州 256600）

无人机在日常生活与军事领域的应用相当广泛，例如日常检测、边境侦查和航空测绘等。但无人机存在续航时间短、伪装效果不佳等问题。为解决该问题，结合风筝发电设计了自发电仿生风筝系统，风筝在空中飞行时利用风能与太阳能发电，并不间断地提供给风筝上的任务载荷，进行长时间的工作，同时借助风筝的长久驻空能力，完成相应的检测、侦察等任务，例如信息侦查、地形勘察和图像传感等。结合仿生技术，使风筝能够在空中实现隐蔽伪装。在测试中，风筝达到一定空中高度就可稳定飞行，不需要人为长时间操作，便可在地面一直读取检测的数据，做到实时、不间断和长时间监测侦察。同时，又充分地利用了清洁能源，达到了节能减排的效果。

1 总体方案设计

本设计基于仿生空中无人侦察监测系统，通过利用无人飞行器上的相关装置，研究一款在高空利用风能进行发电并进行相关任务的风筝装置。利用风筝作为载体，合理地搭载发电系统与机载检测设备，进行空中作业。该装置通过STC89C52 单片机芯片实时检测各个供电支路的电能状态数据，根据所处环境条件来选择不同的发电方式。风能发电供电装置，包括扇叶、对风装置、传动装置和发电机，搭配太阳能电池板，保证电能的持续供给。优化风筝结构，使风筝平稳飞行且发电装置稳定发电，提高风能利用率。通过发电设备，源源不断地将电能输送给单片机、摄像头和传感器等任务载荷，在空中完成相应操作任务。自发电仿生风筝系统不仅能在空中充分利用清洁能源发电，并且还能提供给机载装置使其各设备进行工作，对地对空进行长时间侦擦与检测。利用该系统续航时间长、自主供能和伪装便捷等特点，在边境等地区实现监测侦察等任务，尤其在军事上具备广泛的应用前景。

在测试中，风筝在空中达到一定高度就可稳定飞行，不需要人为长时间操作，便可在地面一直读取检测的数据，做到不间断检测。在不间断检测的同时，又充分地利用了清洁能源，达到了节能减排的效果。解决风筝的稳定性是一难题，风筝的空中摇晃会导致地面接收数据不稳定，所以风筝在空中平稳尤为重要，为保证信号的传输，必须采用平稳性强，受风波动影响小的风筝。同时为保证风筝的伪装效果，要尽可能减小风筝大小，但减小风筝蒙面面积必然影响风筝迎风面积，导致风筝稳定性下降，操控难度上升。对此，应尽量对风筝外表伪装进行改进，使用与监测区域环境相融合的颜色对风筝进行伪装，例如天空晴朗，可以利用蓝色与白色进行伪装，也可采用透明复合材料设计风筝。为便于对风筝飞行姿态与稳定性观察，本文中系统载体为颜色较为鲜艳的风筝。根据对风筝飞行姿态与飞行性能的研究，采用三角形风筝飞行性能较好，经济更加实惠，可适当增大羽翼面积，采用弹性复合纤维做撑杆，来提高风筝的飞行稳定性。

在确保风筝发电效果下，提高侦察能力，可以增加多种检测装置，采集更广泛更精准的数据。随着任务装置重量的增加，也应增加载体风筝的受风面积，提高风筝的升力，可采用尼龙绸等轻盈韧性高的材料来做风筝蒙面，来减轻风筝质量。利用风筝作为载体，本设备可以固定在一定范围内进行长时间作业，解放双手。利用清洁能源的不间断供给，不需要更换电池，绿色环保。自发电仿生风筝系统不仅节约了人力物力，更节省时间。并且材料来源广泛，制作成本低，操作简单，不需要特殊培训，也间接节约了成本。检测装置不受限制，可根据检测所需增加相应的设备，没有固定要求，简单化的同时实现了多样化，功能更加丰富，如图1 所示。

图1 自发电仿生风筝系统总体设计框图

2 发电系统设计

发电装置由风力发电装置和太阳能发电装置组成。风力发电装置由水平风力发电机与垂直风力发电机组成，发电压范围在0～24 V，实验最大功率达到80 W，最大电流达到200 mA。太阳能发电装置由两块太阳能电池板组成，最大电压12 V；最大发电功率4 W；最大发电电流334 mA。总发电装置最大发电电流534 mA，通过升压模块，最大输出电压48 V；效率大于93%。继电器是一种电子控制器件，其具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，其实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护和转换电路等作用。继电器起到对蓄电池过冲保护作用，保护电池。LM2596S 带数表显示降压稳压电源模块：输入电压2.5～35 V；输出电显压1.25～35 V；输出电流3 A；转换效率92%。将电压降压稳压后输入单片机使任务载荷工作，如图2 所示。

3 机载检测设备

3.1 控制核心

以STC89C52 单片机作为控制核心。STC89C52 单片机是一款基于8 位处理芯片的系统。芯片内集成了通用8 位中央处理器和ISPFlash 存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC 端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，速度更快。STC89C52 系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8052 内核单片机，是高速/低功耗的新一代52 单片机，全新的流水线/精简指令集结构，内部集成MAX810 专用复位电路。单片机是典型的嵌入式微控制器，由运算器、控制器、存储器和输入输出设备等构成，相当于一个微型的计算机，可以控制多个模块，实现智能化。单片机的最大优点是体积小，可放在仪表内部，成本低，如图3 所示。

图3 单片机原理图

3.2 传感器监测系统设计

传感器监测系统以52 单片机作为核心控制器，主要应用传感器技术、单片机控制技术、串口通信技术、超声波测距技术和蓝牙信号传输技术。温湿度传感器、红外检测模块和烟雾传感器作为任务载荷，构成检测控制系统，该系统可分为主控制电路、液晶显示接口电路、串口通信接口电路、温湿度传感器接口电路和蓝牙信号发射电路。使用的主要器件有52 单片机、温湿度传感器SHT11、LCD12864 液晶显示模块、人体红外检测模块、烟雾传感器、蓝牙发射模块、图传设备和继电器等。52 单片机整理数据后通过蓝牙模块传送至地面接收器（手机）。52 单片机系统由微控制器、时钟电路、复位电路组成，速度快。内部集成MAX810 专用复位电路，2 路PWM（脉冲宽度调制），8f 路高速，10 位A/D 转换（250 K/S，即25 万次/秒），针对电机控制，强干扰场合。PM2.5检测仪采用模数转换芯片，数据更加精准，价格合适，同时具有断电自动保存数据功能。有EEPROM 功能，外部中断I/O 口7 路，传统的下降沿中断或低电平触发断，并新增加支持上升沿中断的PCA 模块，PowerDown 模式可由外部中断唤醒。通用的全双工异步串行口，如图4 所示。

图4 自发电仿生风筝系统监测系统

4 创新及应用点

通过风筝搭载风力发电装置、太阳能板和任务载荷，实现风能和太阳能利用与执行相应任务。解决风筝的稳定性是一难题，风筝的空中摇晃导致地面接收数据不稳定，风筝在空中平稳尤为重要，为保证信号的传输，必须采用平稳性强、受风影响小的风筝。同时为保证风筝的伪装效果，应尽可能减小风筝面积，在确保风筝发电效果下，提高侦察能力，因此可以增加多种检测装置，采集更广泛更精准的数据。利用风筝作为载体，本设备可以固定在一定范围内进行长时间作业，解放双手，利用清洁能源的不间断供给，不需要更换电池，绿色环保。本设计不仅节约了人力物力，更节省时间。并且材料来源广泛，制作成本低，操作简单，不需要特殊培训，也间接节约了成本。检测装置不受限制，可根据检测所需，增加相应的设备，没有固定要求，简单的同时实现了多样化，功能更加丰富（如图5 所示）。

图5 自发电仿生风筝系统整体实物图

该自发电仿生风筝系统具有以下优点。

1）选用风筝作为飞行载体，设计自发电自供给的仿生风筝系统，实现了低成本、长时间驻空。

2）材料来源广泛，成本低；可回收性强，绿色环保。

3）普及性较高，便于伪装与侦察。

4）操作简单不需要特殊培训。

5）采集风能与太阳能转化为所需的电能，有效利用清洁能源，做到节能减排。

6）应用广泛，上到军事科技，下到日常生活。

5 结束语

本文主要阐述了低成本空中长久监测侦察飞行器的设计与实现。该系统在空中长久监测侦察上不同于以往使用的飞行器，在空中充分利用清洁能源，实现设备长久工作，让监测侦察时间不局限于电池电量，实时监测侦察的数据可无间断传输到地面设施，而且还可根据检测的需求增加不同的模块进行监测，得到所需要的数据。采用仿生风筝为空中载具，可以驻空长久飞行。在研究中，设备获取的信息不间断地提供给地面，得到完整精确的数据，增强数据的可分析性。该设备能够对地面和空中进行长时间的监测侦察，解决了监测侦察时间短的难题，具有较高的应用价值。