无人机无线充电系统的研究范文

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【摘要】本方案研究设计了一种多旋翼无人机无线充电系统，以智能化、人性化和高性价比为原则，在现有的技术上进行创新设计。本系统以ARMCortex-M4作为主控制器，使用100W大功率无线充电、锂离子聚合物电池保护板、ESP8266WiFi模块、温度传感器、42步进电机和防火散热扇等功能模块，设计了多旋翼无人机专用的无线充电站、多旋翼无人机挂载电路和用于远程遥控充电站设备的手机客户端。

【关键词】无人机；无线充电；STM32

近年来，无人机作为一款火热的智能电子产品，得到了广大消费者的喜爱，市场容量巨大。但是在无人机的使用过程中，有续航时间短、抗干扰能力差和维护成本高等问题影响着消费者的使用体验。本论文将对无人机电池问题开展研究，结合无线充电的技术优点，设计一套可以通过手机应用程序遥控的多旋翼无人机专用的无线充电系统。本系统的运用，可以减少为无人机更换电池所投入的人力资源，而且能改变无人机折返点，延长飞行距离。

一、硬件系统设计

1.1总体方案设计

本系统的硬件设计，主要在多旋翼无人机无线充电站和多旋翼无人机挂载电路这两部分。无线充电站主要由电动停机坪、充电舱舱门和无线充电舱三部分组成。无线充电舱内由ARMCortex-M4系统板作为主控制器，该单片机通过WiFi模块和用户手机通信，对充电站各项功能进行控制。充电舱装内还有温度传感器和防火散热扇组成的温度调节系统，确保无人机进行无线充电时的安全。通过光耦继电器模块控制系统的照明。无线充电舱内的发射模块和线圈，配合无人机上的挂载电路实现无人机的无线充电。无人机挂载电路上由电源模块对电池电压进行采集和反馈。通过锂离子聚合物电池保护板保证电池充电平衡。无线充电接收模块和线圈组成电能接收装置。

1.2系统主要硬件模块介绍

（1）STM32F407VET6芯片本系统的控制芯片采用的是STM32F407VET6芯片，该产品是意法半导体公司在Cortex-M4的基础上开发的。从芯片命名上，可以知道这块芯片拥有100个引脚，512K字节的Flash，采用LQFP封装，可以工作在零下40摄氏度到85摄氏度的环境中。该芯片在应用分类上属于工业控制类的STM32芯片。STM32系列芯片是ARMCortex-M系列的微控制器，处理器为32位的核心。这个系列采用了先进的中断技术，可以硬件中断，甚至完全不需软件参与中断，有效减少消耗的时钟周期数，提高代码效率。这个系列的单片机还应用了新型的调试技术，很便宜的调试器都可以用，使开发者可以花费较少的钱就实现程序的调试，这技术被称作单线调试。最重要的是这个系列的芯片支持多种存储器管理，开发者可以根据这个技术，使用片外存储器。STM32单片机功能强大，节能环保，不惧怕恶劣的工作环境，而且简单易用，确实称得上是明星产品。基于上述优点我们果断采用STM32单片机作为本系统的主控制芯片。

（2）ESP8266WiFi模块要实现无线传输，现在有许多种方式可以选择，例如蓝牙，WiFi，ZigBee等。蓝牙与WiFi类似，传输距离短，但成本低。ZigBee是属于新产品，有较好的传输稳定性和距离相对较远也可以传输，但是价格比WiFi高。出于功能的实现和成本的考虑，最终选择了WiFi。这个充电平台可利用手机应用程序进行遥控，就是用过WiFi模块进行数据传输。在这块功能的设计中，本系统参考了物联网的技术。物联网的概念在近几年已经深入人心，但物联网的现有产品较集中于智能家居的开发，我们并不能从现有的方案中直接拿到解决办法。因此，本系统借鉴物联网应用中，使用ESP8266模块搭建局域网并连接互联网的方式，从基础开始，在充电站中搭建一个连接用户与系统中各个功能的网络，实现用户远程控制。

（3）DS18B20温度传感器本系统具有高精度的温度监测系统，硬件采用DS18B20。数字温度传感器是如今使用最广泛的温度传感器，出于检测设备安全的需要，世界各大半导体生产商都有在产品上加装温度传感器的做法，例如计算机主板，甚至智能手机主板上都用到温度传感器。DS18B20是温度传感器中的优秀产品，通常厂家生产的产品都尺寸很小，加上外围电路也不过一平方厘米。本系统选用的温度传感器模块，可以在零下55摄氏度到125摄氏度的环境下工作，测温精度4096分之一，在最差的工作状态下分辨温度的时间都不超过一秒；采用单总线设计，与单片机通信方式简单，据说还支持多机挂接，但本系统没使用到这个功能，这里不做研究。

（4）无线充电模块发射模块采用富达通科技有限公司的FDT-A4TX-QFN20芯片。该芯片专门为100W功率的用电器设计，可输出用于无线充电的50kHz到500kHz系统频率。当操作电压在5V时，该芯片待机电流消耗0.1mA，具有低功耗的优点。该芯片通过线圈控制谐振，拥有过载保护和金属感应功能。使用过程中，一旦识别对象，芯片将自动调整输出功率，保证系统的工作效率和安全。接收模块采用富达通科技有限公司的FDT-B3RX-QFN16芯片。该芯片是无线充电系统专用的信号接收芯片，由FDT-A4TX-QFN20芯片发射的信号控制。正常工作时，该芯片能反馈系统启动信号、电源效率智能调节信号和过载侦察信号。芯片使用了多项先进技术和多种专利保护的编码机制，具有高性能和成本低的优点。

二、软件实现设计

2.1系统程序流程

图本设计的主程序流程图如图2所示。2.2WiFi模块工作方式及使用本方案中使用的WiFi模块是ESP8266WiFi模块，该模块主要有以下三种工作方式：（1）手机做客户端-client，模块做服务端-server：（2）模块做客户端-client，手机做服务端-server：（3）sta模式连接WiFi----即如何让模块连接到路由器：而本系统采用的是第一种方式，这样可以做到随时连接上充电平台，实现手机对平台的控制。我们对ESP8266模块的手机应用程序进行了数据的设置，充电平台主要实现充电，打开关闭舱门，适时降温等功能，因此对应开始停止充电，进出充电舱控制，开关风扇等操作，而这些功能在手机应用程序上同样也是一一对应着以下数据：在打开时候分别对应ESPKLED1，ESPKLED2，ESPKLED3，ESPKLED4，在关闭时候分别对应ESPGLED1，ESPGLED2，ESPGLED3，ESPGLED4，同时每隔两秒会发送ESPCXSJ，检测是否正在连接中。

三、系统的硬件及软件调试

整个无人机无线充电系统安装完成后，逐个模块调试，最后组合各个模块系统统一调试。在下载调试系统程序时，主程序在KEILMDK中编译无错误、无警告，烧写代码用到J-Link仿真器。根据以下步骤完成硬件的调试：第一，检查各个模块的电气接线是否正确；第二，检查原理图与所用器件的引脚是否吻合，进而排除逻辑上的错误；第三，用万用表检查是否出现短路或者开路等问题，进而排除线路的问题和电源的故障情况；第四，系统接上电源，在手机应用程序的控制下，检查系统是否完成程序设置好的各项动作，重点检查是否能进行无线充电。本项目研究并开发了一套可远程控制的无人机无线充电系统，对此系统进行试验证明：对无人机进行无线充电的方案可行，并且无线充电过程中确保了无人机的安全，用户的手机应用程序具有掌握充电站内情况的功能，各个功能模块正常工作，达到了预期效果。

参考文献

[1]沈庆阳.单片机实践与应用[M].北京:清华大学出版社,2010.

[2]童友斌,胡延霖,许智辉.无人机电动舵机伺服系统仿真与分析[J].机械研究与应用,2010,1

作者：周松涛；何泽文；马奔 单位：华南农业大学珠江学院