無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的研究范文

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【摘要】本方案研究設(shè)計(jì)了一種多旋翼無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)，以智能化、人性化和高性價(jià)比為原則，在現(xiàn)有的技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)以ARMCortex-M4作為主控制器，使用100W大功率無(wú)線充電、鋰離子聚合物電池保護(hù)板、ESP8266WiFi模塊、溫度傳感器、42步進(jìn)電機(jī)和防火散熱扇等功能模塊，設(shè)計(jì)了多旋翼無(wú)人機(jī)專用的無(wú)線充電站、多旋翼無(wú)人機(jī)掛載電路和用于遠(yuǎn)程遙控充電站設(shè)備的手機(jī)客戶端。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī)；無(wú)線充電；STM32

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)作為一款火熱的智能電子產(chǎn)品，得到了廣大消費(fèi)者的喜愛，市場(chǎng)容量巨大。但是在無(wú)人機(jī)的使用過(guò)程中，有續(xù)航時(shí)間短、抗干擾能力差和維護(hù)成本高等問(wèn)題影響著消費(fèi)者的使用體驗(yàn)。本論文將對(duì)無(wú)人機(jī)電池問(wèn)題開展研究，結(jié)合無(wú)線充電的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套可以通過(guò)手機(jī)應(yīng)用程序遙控的多旋翼無(wú)人機(jī)專用的無(wú)線充電系統(tǒng)。本系統(tǒng)的運(yùn)用，可以減少為無(wú)人機(jī)更換電池所投入的人力資源，而且能改變無(wú)人機(jī)折返點(diǎn)，延長(zhǎng)飛行距離。

一、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要在多旋翼無(wú)人機(jī)無(wú)線充電站和多旋翼無(wú)人機(jī)掛載電路這兩部分。無(wú)線充電站主要由電動(dòng)停機(jī)坪、充電艙艙門和無(wú)線充電艙三部分組成。無(wú)線充電艙內(nèi)由ARMCortex-M4系統(tǒng)板作為主控制器，該單片機(jī)通過(guò)WiFi模塊和用戶手機(jī)通信，對(duì)充電站各項(xiàng)功能進(jìn)行控制。充電艙裝內(nèi)還有溫度傳感器和防火散熱扇組成的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，確保無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線充電時(shí)的安全。通過(guò)光耦繼電器模塊控制系統(tǒng)的照明。無(wú)線充電艙內(nèi)的發(fā)射模塊和線圈，配合無(wú)人機(jī)上的掛載電路實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的無(wú)線充電。無(wú)人機(jī)掛載電路上由電源模塊對(duì)電池電壓進(jìn)行采集和反饋。通過(guò)鋰離子聚合物電池保護(hù)板保證電池充電平衡。無(wú)線充電接收模塊和線圈組成電能接收裝置。

1.2系統(tǒng)主要硬件模塊介紹

（1）STM32F407VET6芯片本系統(tǒng)的控制芯片采用的是STM32F407VET6芯片，該產(chǎn)品是意法半導(dǎo)體公司在Cortex-M4的基礎(chǔ)上開發(fā)的。從芯片命名上，可以知道這塊芯片擁有100個(gè)引腳，512K字節(jié)的Flash，采用LQFP封裝，可以工作在零下40攝氏度到85攝氏度的環(huán)境中。該芯片在應(yīng)用分類上屬于工業(yè)控制類的STM32芯片。STM32系列芯片是ARMCortex-M系列的微控制器，處理器為32位的核心。這個(gè)系列采用了先進(jìn)的中斷技術(shù)，可以硬件中斷，甚至完全不需軟件參與中斷，有效減少消耗的時(shí)鐘周期數(shù)，提高代碼效率。這個(gè)系列的單片機(jī)還應(yīng)用了新型的調(diào)試技術(shù)，很便宜的調(diào)試器都可以用，使開發(fā)者可以花費(fèi)較少的錢就實(shí)現(xiàn)程序的調(diào)試，這技術(shù)被稱作單線調(diào)試。最重要的是這個(gè)系列的芯片支持多種存儲(chǔ)器管理，開發(fā)者可以根據(jù)這個(gè)技術(shù)，使用片外存儲(chǔ)器。STM32單片機(jī)功能強(qiáng)大，節(jié)能環(huán)保，不懼怕惡劣的工作環(huán)境，而且簡(jiǎn)單易用，確實(shí)稱得上是明星產(chǎn)品。基于上述優(yōu)點(diǎn)我們果斷采用STM32單片機(jī)作為本系統(tǒng)的主控制芯片。

（2）ESP8266WiFi模塊要實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，現(xiàn)在有許多種方式可以選擇，例如藍(lán)牙，WiFi，ZigBee等。藍(lán)牙與WiFi類似，傳輸距離短，但成本低。ZigBee是屬于新產(chǎn)品，有較好的傳輸穩(wěn)定性和距離相對(duì)較遠(yuǎn)也可以傳輸，但是價(jià)格比WiFi高。出于功能的實(shí)現(xiàn)和成本的考慮，最終選擇了WiFi。這個(gè)充電平臺(tái)可利用手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行遙控，就是用過(guò)WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在這塊功能的設(shè)計(jì)中，本系統(tǒng)參考了物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的概念在近幾年已經(jīng)深入人心，但物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)有產(chǎn)品較集中于智能家居的開發(fā)，我們并不能從現(xiàn)有的方案中直接拿到解決辦法。因此，本系統(tǒng)借鑒物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，使用ESP8266模塊搭建局域網(wǎng)并連接互聯(lián)網(wǎng)的方式，從基礎(chǔ)開始，在充電站中搭建一個(gè)連接用戶與系統(tǒng)中各個(gè)功能的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程控制。

（3）DS18B20溫度傳感器本系統(tǒng)具有高精度的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，硬件采用DS18B20。數(shù)字溫度傳感器是如今使用最廣泛的溫度傳感器，出于檢測(cè)設(shè)備安全的需要，世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商都有在產(chǎn)品上加裝溫度傳感器的做法，例如計(jì)算機(jī)主板，甚至智能手機(jī)主板上都用到溫度傳感器。DS18B20是溫度傳感器中的優(yōu)秀產(chǎn)品，通常廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品都尺寸很小，加上外圍電路也不過(guò)一平方厘米。本系統(tǒng)選用的溫度傳感器模塊，可以在零下55攝氏度到125攝氏度的環(huán)境下工作，測(cè)溫精度4096分之一，在最差的工作狀態(tài)下分辨溫度的時(shí)間都不超過(guò)一秒；采用單總線設(shè)計(jì)，與單片機(jī)通信方式簡(jiǎn)單，據(jù)說(shuō)還支持多機(jī)掛接，但本系統(tǒng)沒使用到這個(gè)功能，這里不做研究。

（4）無(wú)線充電模塊發(fā)射模塊采用富達(dá)通科技有限公司的FDT-A4TX-QFN20芯片。該芯片專門為100W功率的用電器設(shè)計(jì)，可輸出用于無(wú)線充電的50kHz到500kHz系統(tǒng)頻率。當(dāng)操作電壓在5V時(shí)，該芯片待機(jī)電流消耗0.1mA，具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)。該芯片通過(guò)線圈控制諧振，擁有過(guò)載保護(hù)和金屬感應(yīng)功能。使用過(guò)程中，一旦識(shí)別對(duì)象，芯片將自動(dòng)調(diào)整輸出功率，保證系統(tǒng)的工作效率和安全。接收模塊采用富達(dá)通科技有限公司的FDT-B3RX-QFN16芯片。該芯片是無(wú)線充電系統(tǒng)專用的信號(hào)接收芯片，由FDT-A4TX-QFN20芯片發(fā)射的信號(hào)控制。正常工作時(shí)，該芯片能反饋系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)、電源效率智能調(diào)節(jié)信號(hào)和過(guò)載偵察信號(hào)。芯片使用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)和多種專利保護(hù)的編碼機(jī)制，具有高性能和成本低的優(yōu)點(diǎn)。

二、軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)程序流程

圖本設(shè)計(jì)的主程序流程圖如圖2所示。2.2WiFi模塊工作方式及使用本方案中使用的WiFi模塊是ESP8266WiFi模塊，該模塊主要有以下三種工作方式：（1）手機(jī)做客戶端-client，模塊做服務(wù)端-server：（2）模塊做客戶端-client，手機(jī)做服務(wù)端-server：（3）sta模式連接WiFi----即如何讓模塊連接到路由器：而本系統(tǒng)采用的是第一種方式，這樣可以做到隨時(shí)連接上充電平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)平臺(tái)的控制。我們對(duì)ESP8266模塊的手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行了數(shù)據(jù)的設(shè)置，充電平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)充電，打開關(guān)閉艙門，適時(shí)降溫等功能，因此對(duì)應(yīng)開始停止充電，進(jìn)出充電艙控制，開關(guān)風(fēng)扇等操作，而這些功能在手機(jī)應(yīng)用程序上同樣也是一一對(duì)應(yīng)著以下數(shù)據(jù)：在打開時(shí)候分別對(duì)應(yīng)ESPKLED1，ESPKLED2，ESPKLED3，ESPKLED4，在關(guān)閉時(shí)候分別對(duì)應(yīng)ESPGLED1，ESPGLED2，ESPGLED3，ESPGLED4，同時(shí)每隔兩秒會(huì)發(fā)送ESPCXSJ，檢測(cè)是否正在連接中。

三、系統(tǒng)的硬件及軟件調(diào)試

整個(gè)無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)安裝完成后，逐個(gè)模塊調(diào)試，最后組合各個(gè)模塊系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)試。在下載調(diào)試系統(tǒng)程序時(shí)，主程序在KEILMDK中編譯無(wú)錯(cuò)誤、無(wú)警告，燒寫代碼用到J-Link仿真器。根據(jù)以下步驟完成硬件的調(diào)試：第一，檢查各個(gè)模塊的電氣接線是否正確；第二，檢查原理圖與所用器件的引腳是否吻合，進(jìn)而排除邏輯上的錯(cuò)誤；第三，用萬(wàn)用表檢查是否出現(xiàn)短路或者開路等問(wèn)題，進(jìn)而排除線路的問(wèn)題和電源的故障情況；第四，系統(tǒng)接上電源，在手機(jī)應(yīng)用程序的控制下，檢查系統(tǒng)是否完成程序設(shè)置好的各項(xiàng)動(dòng)作，重點(diǎn)檢查是否能進(jìn)行無(wú)線充電。本項(xiàng)目研究并開發(fā)了一套可遠(yuǎn)程控制的無(wú)人機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)，對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)證明：對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線充電的方案可行，并且無(wú)線充電過(guò)程中確保了無(wú)人機(jī)的安全，用戶的手機(jī)應(yīng)用程序具有掌握充電站內(nèi)情況的功能，各個(gè)功能模塊正常工作，達(dá)到了預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)

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作者：周松濤；何澤文；馬奔 單位：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院