無人機無線充電系統的研究范文

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【摘要】本方案研究設計了一種多旋翼無人機無線充電系統，以智能化、人性化和高性價比為原則，在現有的技術上進行創新設計。本系統以ARMCortex-M4作為主控制器，使用100W大功率無線充電、鋰離子聚合物電池保護板、ESP8266WiFi模塊、溫度傳感器、42步進電機和防火散熱扇等功能模塊，設計了多旋翼無人機專用的無線充電站、多旋翼無人機掛載電路和用于遠程遙控充電站設備的手機客戶端。

【關鍵詞】無人機；無線充電；STM32

近年來，無人機作為一款火熱的智能電子產品，得到了廣大消費者的喜愛，市場容量巨大。但是在無人機的使用過程中，有續航時間短、抗干擾能力差和維護成本高等問題影響著消費者的使用體驗。本論文將對無人機電池問題開展研究，結合無線充電的技術優點，設計一套可以通過手機應用程序遙控的多旋翼無人機專用的無線充電系統。本系統的運用，可以減少為無人機更換電池所投入的人力資源，而且能改變無人機折返點，延長飛行距離。

一、硬件系統設計

1.1總體方案設計

本系統的硬件設計，主要在多旋翼無人機無線充電站和多旋翼無人機掛載電路這兩部分。無線充電站主要由電動停機坪、充電艙艙門和無線充電艙三部分組成。無線充電艙內由ARMCortex-M4系統板作為主控制器，該單片機通過WiFi模塊和用戶手機通信，對充電站各項功能進行控制。充電艙裝內還有溫度傳感器和防火散熱扇組成的溫度調節系統，確保無人機進行無線充電時的安全。通過光耦繼電器模塊控制系統的照明。無線充電艙內的發射模塊和線圈，配合無人機上的掛載電路實現無人機的無線充電。無人機掛載電路上由電源模塊對電池電壓進行采集和反饋。通過鋰離子聚合物電池保護板保證電池充電平衡。無線充電接收模塊和線圈組成電能接收裝置。

1.2系統主要硬件模塊介紹

（1）STM32F407VET6芯片本系統的控制芯片采用的是STM32F407VET6芯片，該產品是意法半導體公司在Cortex-M4的基礎上開發的。從芯片命名上，可以知道這塊芯片擁有100個引腳，512K字節的Flash，采用LQFP封裝，可以工作在零下40攝氏度到85攝氏度的環境中。該芯片在應用分類上屬于工業控制類的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。這個系列采用了先進的中斷技術，可以硬件中斷，甚至完全不需軟件參與中斷，有效減少消耗的時鐘周期數，提高代碼效率。這個系列的單片機還應用了新型的調試技術，很便宜的調試器都可以用，使開發者可以花費較少的錢就實現程序的調試，這技術被稱作單線調試。最重要的是這個系列的芯片支持多種存儲器管理，開發者可以根據這個技術，使用片外存儲器。STM32單片機功能強大，節能環保，不懼怕惡劣的工作環境，而且簡單易用，確實稱得上是明星產品。基于上述優點我們果斷采用STM32單片機作為本系統的主控制芯片。

（2）ESP8266WiFi模塊要實現無線傳輸，現在有許多種方式可以選擇，例如藍牙，WiFi，ZigBee等。藍牙與WiFi類似，傳輸距離短，但成本低。ZigBee是屬于新產品，有較好的傳輸穩定性和距離相對較遠也可以傳輸，但是價格比WiFi高。出于功能的實現和成本的考慮，最終選擇了WiFi。這個充電平臺可利用手機應用程序進行遙控，就是用過WiFi模塊進行數據傳輸。在這塊功能的設計中，本系統參考了物聯網的技術。物聯網的概念在近幾年已經深入人心，但物聯網的現有產品較集中于智能家居的開發，我們并不能從現有的方案中直接拿到解決辦法。因此，本系統借鑒物聯網應用中，使用ESP8266模塊搭建局域網并連接互聯網的方式，從基礎開始，在充電站中搭建一個連接用戶與系統中各個功能的網絡，實現用戶遠程控制。

（3）DS18B20溫度傳感器本系統具有高精度的溫度監測系統，硬件采用DS18B20。數字溫度傳感器是如今使用最廣泛的溫度傳感器，出于檢測設備安全的需要，世界各大半導體生產商都有在產品上加裝溫度傳感器的做法，例如計算機主板，甚至智能手機主板上都用到溫度傳感器。DS18B20是溫度傳感器中的優秀產品，通常廠家生產的產品都尺寸很小，加上外圍電路也不過一平方厘米。本系統選用的溫度傳感器模塊，可以在零下55攝氏度到125攝氏度的環境下工作，測溫精度4096分之一，在最差的工作狀態下分辨溫度的時間都不超過一秒；采用單總線設計，與單片機通信方式簡單，據說還支持多機掛接，但本系統沒使用到這個功能，這里不做研究。

（4）無線充電模塊發射模塊采用富達通科技有限公司的FDT-A4TX-QFN20芯片。該芯片專門為100W功率的用電器設計，可輸出用于無線充電的50kHz到500kHz系統頻率。當操作電壓在5V時，該芯片待機電流消耗0.1mA，具有低功耗的優點。該芯片通過線圈控制諧振，擁有過載保護和金屬感應功能。使用過程中，一旦識別對象，芯片將自動調整輸出功率，保證系統的工作效率和安全。接收模塊采用富達通科技有限公司的FDT-B3RX-QFN16芯片。該芯片是無線充電系統專用的信號接收芯片，由FDT-A4TX-QFN20芯片發射的信號控制。正常工作時，該芯片能反饋系統啟動信號、電源效率智能調節信號和過載偵察信號。芯片使用了多項先進技術和多種專利保護的編碼機制，具有高性能和成本低的優點。

二、軟件實現設計

2.1系統程序流程

圖本設計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）手機做客戶端-client，模塊做服務端-server：（2）模塊做客戶端-client，手機做服務端-server：（3）sta模式連接WiFi----即如何讓模塊連接到路由器：而本系統采用的是第一種方式，這樣可以做到隨時連接上充電平臺，實現手機對平臺的控制。我們對ESP8266模塊的手機應用程序進行了數據的設置，充電平臺主要實現充電，打開關閉艙門，適時降溫等功能，因此對應開始停止充電，進出充電艙控制，開關風扇等操作，而這些功能在手機應用程序上同樣也是一一對應著以下數據：在打開時候分別對應ESPKLED1，ESPKLED2，ESPKLED3，ESPKLED4，在關閉時候分別對應ESPGLED1，ESPGLED2，ESPGLED3，ESPGLED4，同時每隔兩秒會發送ESPCXSJ，檢測是否正在連接中。

三、系統的硬件及軟件調試

整個無人機無線充電系統安裝完成后，逐個模塊調試，最后組合各個模塊系統統一調試。在下載調試系統程序時，主程序在KEILMDK中編譯無錯誤、無警告，燒寫代碼用到J-Link仿真器。根據以下步驟完成硬件的調試：第一，檢查各個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，進而排除邏輯上的錯誤；第三，用萬用表檢查是否出現短路或者開路等問題，進而排除線路的問題和電源的故障情況；第四，系統接上電源，在手機應用程序的控制下，檢查系統是否完成程序設置好的各項動作，重點檢查是否能進行無線充電。本項目研究并開發了一套可遠程控制的無人機無線充電系統，對此系統進行試驗證明：對無人機進行無線充電的方案可行，并且無線充電過程中確保了無人機的安全，用戶的手機應用程序具有掌握充電站內情況的功能，各個功能模塊正常工作，達到了預期效果。

參考文獻

[1]沈慶陽.單片機實踐與應用[M].北京:清華大學出版社,2010.

[2]童友斌,胡延霖,許智輝.無人機電動舵機伺服系統仿真與分析[J].機械研究與應用,2010,1

作者：周松濤；何澤文；馬奔 單位：華南農業大學珠江學院