太陽能充電設(shè)計(jì)論文范文參考一：

　　目前無人機(jī)的應(yīng)用方面做出了非常卓越的貢獻(xiàn)，但無人機(jī)的弱點(diǎn)也非常明顯，那便是無人機(jī)的續(xù)航能力非常有限，通常無人機(jī)的有效滯空時(shí)間為15分鐘左右，這就影響到了無人機(jī)的使用范圍，制約了無人機(jī)的航程以及相關(guān)應(yīng)用過程中的效率[1]。

　　本次研究為了達(dá)到增加無人機(jī)航程由于滯空時(shí)間的目的，采取太陽能這種取之不盡的清潔能源來解決這一難題，并且以全新的充電方式，讓無人機(jī)擺脫了充電器材和場地的束縛在充電形式和策略方面的技術(shù)探索做出了相應(yīng)的解決對策和應(yīng)用方案。

　　1 無人機(jī)平臺(tái)

　　構(gòu)成無人機(jī)平臺(tái)的主要組成模塊基本上分為四大模組，其中包括感應(yīng)無人機(jī)飛行狀態(tài)的傳感器模塊、控制無人機(jī)飛行姿態(tài)的飛行控制系統(tǒng)模塊、提供旋翼動(dòng)力的動(dòng)力系統(tǒng)模塊以及提供能源的電源模塊。另外還有綜合處理數(shù)據(jù)的處理器模塊和軟件系統(tǒng)模塊。

　　1.1 傳感器系統(tǒng)模塊。無人機(jī)的操作方式和主要工作情況為傳感器將當(dāng)前無人機(jī)的各種狀態(tài)的信息進(jìn)行匯總，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺PU上，通過飛控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)算法將無人機(jī)的姿態(tài)反饋給接收機(jī)，操縱員則通過控制器發(fā)送指令到飛控系統(tǒng)，并由飛控系統(tǒng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將動(dòng)作指令下達(dá)到相應(yīng)的操作面上，從而完成對無人機(jī)飛行姿態(tài)的控制。

　　1.2 飛行控制系統(tǒng)模塊。

　　以大疆無人機(jī)為例，其采用的Lightbridge 2控制系統(tǒng)擁有2.4GHz的信號(hào)傳輸功率，最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)5000米，并且具有陀螺儀自動(dòng)找平功能和自動(dòng)繞飛功能，氣壓計(jì)能夠準(zhǔn)確將無人機(jī)定位在海拔0-3500米的任何空域。該飛行控制系統(tǒng)采用了集成遙控器，用無線鏈路動(dòng)態(tài)適應(yīng)技術(shù)增加了使用的可靠性，并且將影像傳輸功能上升到更高的標(biāo)準(zhǔn)，對于FPV飛行以及電視直播都能滿足特定的需求。

　　1.3 飛行動(dòng)力系統(tǒng)模塊。

　　動(dòng)力系統(tǒng)方面大疆無人機(jī)的負(fù)載能力和機(jī)動(dòng)性能也在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，其采用的M12電機(jī)、12100 FOC電調(diào)器和R3390螺旋槳為單軸旋翼提供了最大8千克的拉力，整體最大拉力可達(dá)到17千克，強(qiáng)勁的動(dòng)力系統(tǒng)滿足了無人機(jī)在全天候的狀態(tài)下?lián)碛蟹€(wěn)定的性能，同時(shí)多旋翼動(dòng)力系統(tǒng)在極端惡劣的環(huán)境下能夠保持穩(wěn)定的動(dòng)力輸出，以保證無人機(jī)能夠進(jìn)行各種復(fù)雜的任務(wù)[2]。

　　1.4 電源模塊。

　　大部分無人機(jī)都采用220V充電器為無人機(jī)的電池進(jìn)行充電，該模塊采用變壓器來為電池進(jìn)行供電，從而保證無人機(jī)的電池組在各種環(huán)境當(dāng)中都能夠?yàn)殡姵剡M(jìn)行充電，以滿足無人機(jī)的正常使用。

　　另外可以利用最新的無線供電QI技術(shù)為無人機(jī)進(jìn)行智能充電，當(dāng)無人機(jī)的電容量低于10%的時(shí)候，無人機(jī)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入歸巢模式，從而尋找到最近的充電器，通過降落在充電巢上，達(dá)到為無人機(jī)的鋰電池組進(jìn)行充電的作用。無人機(jī)利用QI技術(shù)將充電擺脫了傳統(tǒng)充電器需要利用電源插座的人工操作流程的束縛，將無人機(jī)充電過程完全一程序化的軟件模式編寫到無人機(jī)自動(dòng)巡航與飛行的代碼當(dāng)中，一旦需要充電的情況出現(xiàn)后，無人機(jī)便會(huì)自動(dòng)根據(jù)導(dǎo)航與相應(yīng)的信號(hào)站數(shù)據(jù)傳送，利用藍(lán)牙信息傳輸技術(shù)或GPS技術(shù)找尋到最近的充電巢，降落在充電巢上完成無線充電的過程。

　　2 全自動(dòng)太陽能充電系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

　　采用QI無線充電技術(shù)的無人機(jī)能夠在沒有充電線路的情況下為電池組進(jìn)行充電，這種技術(shù)如今已經(jīng)逐漸成熟，許多的手機(jī)產(chǎn)品都采用了這種無線充電技術(shù)，早在1890年尼古拉·特斯拉便實(shí)驗(yàn)了這種利用電磁感應(yīng)進(jìn)行電能傳輸?shù)募夹g(shù)，如今這種技術(shù)已經(jīng)足夠?yàn)楣P記本電腦的電池進(jìn)行充電，已經(jīng)可以滿足無人機(jī)電池的充電標(biāo)準(zhǔn)。

　　另外無線充電的電力來源可以根據(jù)具體的需求而做出改進(jìn)，如今無線充電器依舊依靠基礎(chǔ)設(shè)施的電網(wǎng)供電，需要使用220V的交流電，這種充電方式對于無人機(jī)的使用來講非常具有應(yīng)用環(huán)境方面的制約性，導(dǎo)致無人機(jī)無法在野外或者沒有電源的地方進(jìn)行充電。為了解決這種問題，可以采用太陽能的充電方式，利用太陽能為無線充電器進(jìn)行充電，從而讓充電器擺脫電源方面的束縛，隨時(shí)隨地都能為無人機(jī)進(jìn)行充電。

　　全自動(dòng)太陽能充電系統(tǒng)將成為未來無人機(jī)充電的一種發(fā)展趨勢，該系統(tǒng)的主要工作情況和系統(tǒng)構(gòu)成如下(見圖1)：

　　2.1 太陽能充電模塊。

　　太陽能電池是整套系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵，其體現(xiàn)出升級(jí)潛力的性能指標(biāo)便是光電轉(zhuǎn)換效率，大部分的單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換率為18%左右，基本采用5V電壓、160mA電容的太陽能電池板共計(jì)12-15塊來促成并聯(lián)電池組，在并聯(lián)以后電池組的電壓為20V，在經(jīng)過穩(wěn)壓模塊和放回流模塊的并聯(lián)。這種形式的太陽能電池板可以參照市政設(shè)施方面的太陽能路燈桿或者太陽能熱水器的制作方法，為充電巢提供穩(wěn)定的電力輸出，同時(shí)保證其電量能夠?yàn)闊o人機(jī)的電池進(jìn)行充電，保證無人機(jī)的使用。

　　2.2 無線充電器模塊。

　　無人機(jī)的充電系統(tǒng)采用無線充電的方式，這種無線充電目前性能作為穩(wěn)定并且可靠性較強(qiáng)的技術(shù)是電磁感應(yīng)技術(shù)，利用初級(jí)線圈在一定頻率下感應(yīng)交流電，通過電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端輸送到接收端。目前世界范圍內(nèi)采用這種技術(shù)的主要是QI標(biāo)準(zhǔn)，QI標(biāo)準(zhǔn)是首個(gè)推動(dòng)無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的國際組織WPC推出的標(biāo)準(zhǔn)，具備便捷性和通用性兩大特點(diǎn)。第一是對于不同品牌和規(guī)格的產(chǎn)品只要符合QI標(biāo)準(zhǔn)，便能夠進(jìn)行無線充電。第二是所有的電池都從該標(biāo)準(zhǔn)的無線充電器中獲得電能。無人機(jī)利用這種無線充電技術(shù)，能夠解決不同品牌以及不同型號(hào)的無人機(jī)在無線充電設(shè)備上難以完全匹配的難題，同時(shí)也為無人機(jī)充電巢提高了通用性。

　　2.3 智能無人機(jī)系統(tǒng)模塊。

　　無人機(jī)需要進(jìn)行一定的升級(jí)才能使用全自動(dòng)太陽能充電系統(tǒng)，將無人機(jī)的操控軟件部分進(jìn)行升級(jí)，編寫程序代碼，命令無人機(jī)在電量不足的情況下自動(dòng)搜尋附近的太陽能無線充電系統(tǒng)的工作站，利用藍(lán)牙通訊技術(shù)或者GPS信號(hào)來確定最近充電巢的位置，然后利用自動(dòng)導(dǎo)航進(jìn)行定位，在第一時(shí)間飛行到充電器的位置，然后降落在充電巢中，在5-10分鐘的時(shí)間內(nèi)充好電，之后便可以繼續(xù)工作。這就需要無人機(jī)擁有自動(dòng)定位和導(dǎo)航的功能，并且根據(jù)大數(shù)據(jù)來分析目前無人機(jī)所在的位置與高度，從而得出最近的飛行路線，采取最高效的充電策略。

　　3 太陽能充電系統(tǒng)的測試

　　太陽能充電系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)便是系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在野外或郊區(qū)這種缺少固定人員維護(hù)的場所，這種充電巢和相關(guān)的設(shè)備可能會(huì)受到一定的影響，例如風(fēng)吹日曬雨淋等，需要定期進(jìn)行人員的維護(hù)，保證設(shè)備能夠正常運(yùn)行。另外便是無人機(jī)信號(hào)的穩(wěn)定性，在無人機(jī)與充電巢之間需要保持信號(hào)的暢通，以便能夠讓無人機(jī)準(zhǔn)確定位到相應(yīng)的充電巢，從而開啟充電巢的充電開關(guān)，為無人機(jī)進(jìn)行充電。

　　結(jié)論：無人機(jī)的續(xù)航能力如今已經(jīng)成為制約無人機(jī)應(yīng)用范圍的瓶頸，通過采用全自動(dòng)太陽能充電方式來增加無人機(jī)的續(xù)航性不但順應(yīng)了實(shí)際需求，還提供了一種低碳環(huán)保的新能源利用方式，具有非常高的借鑒意義和利用價(jià)值。多軸旋翼無人飛行器在能源使用方面的發(fā)展前景是非常廣闊的，而太陽能電池與無線充電技術(shù)也在不斷發(fā)展，未來有望將太陽能充電巢以基礎(chǔ)設(shè)施的形式普及到各地，成為無人機(jī)的主要?jiǎng)恿碓础?/p>

　　太陽能充電設(shè)計(jì)論文范文參考二：

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在畜牧業(yè)滲透，“互聯(lián)網(wǎng)+畜牧業(yè)”的生產(chǎn)模式正在改變畜牧業(yè)傳統(tǒng)落后的生產(chǎn)方式。[1-4]如近些年出現(xiàn)的畜群定位跟蹤器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測畜群位置并協(xié)助牧民實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程放牧，有效降低牧民放牧勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約放牧人力成本。[5-6]目前，市面上的畜群定位跟蹤器大都由原來的車載定位器、寵物定位器或是兒童定位手表改裝而成，這些定位器雖然在功能上基本滿足畜群定位的需求，但在續(xù)航工作時(shí)間、環(huán)境適應(yīng)性等方面卻滿足不了牛羊定位的實(shí)際需求，嚴(yán)重影響了實(shí)際使用效果。本文針對此問題設(shè)計(jì)一種帶太陽能互補(bǔ)充電的畜群定位器，硬件采用STM32L151微處理器、SIM800L和Air530北斗定位模塊組成的低功耗設(shè)計(jì)方案，并設(shè)計(jì)了低功耗電源管理電路;軟件在實(shí)現(xiàn)基本定位跟蹤功能的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)設(shè)計(jì)一套太陽能互補(bǔ)充電低功耗工作策略。[7-8]著重解決目前畜群定位跟蹤器使用中存在的困境。

　　1 定位器整體設(shè)計(jì)方案

　　為提高實(shí)際使用中定位器的續(xù)航能力，需要進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，[9-10]定位器沒有采用成熟的MTK6261D或MTK2503D定位器方案，而采用超低功耗的單片機(jī)+北斗GPS+GPRS模塊方案來實(shí)現(xiàn)，[11-12]以保證系統(tǒng)功耗和性能的最優(yōu)化。系統(tǒng)主要由北斗GPS定位模塊、加速度傳感器、GPRS模塊、STM32L151微處理器及電源供給管理系統(tǒng)構(gòu)成。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　電源供給管理系統(tǒng)由鋰電池、太陽能充電板、電源充放電管理電路等構(gòu)成。系統(tǒng)從硬件設(shè)計(jì)的角度保證了低功耗、高續(xù)航的可行性。定位器主要實(shí)現(xiàn)以下功能：按一定時(shí)間間隔定位并上傳，時(shí)間可調(diào)。在沒有GPRS信號(hào)的時(shí)候，保持GPRS模塊關(guān)機(jī)，當(dāng)北斗GPS獲取的位置數(shù)據(jù)距離變化超1公里以上時(shí)，才嘗試開機(jī)。當(dāng)定位器靜止不動(dòng)時(shí)，進(jìn)入休眠模式。定位器電池電壓低且太陽能充電效率又不高時(shí)，自動(dòng)將定位間隔加大。

　　2 定位器硬件設(shè)計(jì)

　　為了保證定位器的高續(xù)航能力，定位器硬件從器件選型到電路設(shè)計(jì)都進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)。

　　2.1 控制核心設(shè)計(jì)

　　定位器選用基于CARTEX-M3內(nèi)核的超低功耗32位微控制器STM32L151C8T6作為控制核心;[13-14]其具有64KB的閃存，32KB的靜態(tài)RAM，4KB的EEPROM，具有3個(gè)可用的串口/UART，和多路12為ADC通道;并提供多種超低功耗模式，其中stop模式下控制器最低功耗不足2uA。可以很好地滿足本設(shè)計(jì)對功耗和性能的要求。核心控制器電路原理圖如圖2所示。

　　2.2 北斗GPS模塊、GPRS模塊設(shè)計(jì)

　　Air530模塊是一款高性能、高集成度的多模衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊，具有體積小、功耗低等特點(diǎn)。模塊支持Beidou / GPS /GLONASS/Galileo/QZSS/SBAS。采用了射頻基帶一體化設(shè)計(jì)，集成了DC/DC、LDO、LNA、射頻前端、基帶處理、32 位RISC CPU、RAM、FLASH 存儲(chǔ)、RTC 和電源管理等功能。提供超高的性能，即使在弱信號(hào)的地方，也能快速、準(zhǔn)確的定位。且具有多種節(jié)能模式，非常適合本設(shè)計(jì)。

　　數(shù)據(jù)通信模塊采用SIM800L來實(shí)現(xiàn)，其工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS和數(shù)據(jù)信息的傳輸，尺寸為15.8mm×17.8mm×2.4mm，能適合本定位器設(shè)計(jì)需求。SIM800L與STM32L151C8T6通過串口進(jìn)行直接連接。[15]通過AT命令實(shí)現(xiàn)對SIM800L的操作。

　　2.3 電源管理電路

　　為了盡可能降低系統(tǒng)功耗，為北斗GPS模塊及GPRS模塊均設(shè)計(jì)了電源管理電路，方便在系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀時(shí)徹底斷開其供電電源，GPRS電源管理電路如圖3，采用MOS管實(shí)現(xiàn)通斷控制，其中，MOS管SI2305可實(shí)現(xiàn)2A電流的通斷管理，完全滿足本系統(tǒng)應(yīng)用，北斗GPS電源管理電路類似。

　　2.4 太陽能充電控制電路

　　一般不超過兩行。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了如圖4所示的太陽能充電控制電路，主要采用CN3791 控制芯片實(shí)現(xiàn)，能夠自動(dòng)跟蹤太陽能板的最大功率點(diǎn)，可最大限度地利用太陽能板的輸出功率，且具有恒流和恒壓充電模式。對于深度放電的鋰電池，CN3791用所設(shè)置的恒流充電電流的17.5%對電池進(jìn)行涓流充電。在恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流降低到恒流充電電流的16%時(shí)，充電結(jié)束。在充電結(jié)束狀態(tài)，如果電池電壓下降到恒壓充電電壓的95.5%，自動(dòng)開始新的充電周期。

　　3 定位器軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 定位器軟件整體工作流程

　　定位器軟件采用Keil5軟件集成編譯環(huán)境來進(jìn)行軟件的開發(fā)，核心任務(wù)就是獲取北斗GPS位置數(shù)據(jù)，并將定位數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。定位器首先初始化工作環(huán)境，接著采集電池電壓和太陽能充電電壓，然后北斗GPS模塊開機(jī)開始獲取位置數(shù)據(jù)，如果上傳數(shù)據(jù)時(shí)間到，則GPRS模塊開機(jī)聯(lián)網(wǎng)并上傳數(shù)據(jù);這些工作完成后，定位器進(jìn)入超低功耗休眠狀態(tài)，等下次工作時(shí)間到，有RTC喚醒進(jìn)入下一定位周期。

　　3.2 定位器低功耗工作策略

　　由于草原上GPRS網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋不好，很多區(qū)域沒有GPRS信號(hào)，因此當(dāng)定位器處在這些區(qū)域開機(jī)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)GPRS模塊長時(shí)間連接不上網(wǎng)的現(xiàn)象，而GPRS模塊在聯(lián)網(wǎng)時(shí)功耗較大，峰值電流可達(dá)2A(4V供電)，因此，為了避免在無信號(hào)區(qū)域定位器長時(shí)間聯(lián)網(wǎng)耗電的情況，設(shè)計(jì)了如圖5所示的GPRS模塊開機(jī)判斷程序，工作流程如下：每次GPRS模塊開機(jī)聯(lián)網(wǎng)后，記錄聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，如果上次聯(lián)網(wǎng)不成功，則下次GPRS模塊在距上次嘗試聯(lián)網(wǎng)地點(diǎn)距離超過1公里(根據(jù)實(shí)際使用地網(wǎng)絡(luò)覆蓋狀況，距離長度可調(diào))時(shí)，才再次嘗試開機(jī)。這樣，有效避免了在無網(wǎng)絡(luò)區(qū)域多次嘗試開機(jī)而大量耗電的現(xiàn)象。

　　定位器整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)基本定位功能的基礎(chǔ)上，針對實(shí)際使用環(huán)境，著重設(shè)計(jì)了低功耗工作策略。定位器采用鋰電池和太陽能互補(bǔ)充電的供電方式，為了確保定位器長時(shí)間正常工作并延長鋰電池的使用壽命，系統(tǒng)采用概率檢測模型判斷太陽能充電效率，采用如圖6所示工作流程。檢測計(jì)數(shù)器初始值設(shè)為5，并每隔一定時(shí)間(時(shí)間長度可調(diào)，默認(rèn)30分鐘)檢測一次太陽能充電電壓U2。如果U2>5V，則說明此刻充電效率較好，檢測計(jì)數(shù)器值加1;如果U2<4.2V，則說明此刻充電效率較差，檢測計(jì)數(shù)器值減1;如果5V

　　4 定位器功耗計(jì)算及測試

　　定位器正常工作時(shí)每個(gè)工作周期可分為以下三個(gè)狀態(tài)：北斗GPS定位狀態(tài)，GPRS上傳數(shù)據(jù)狀態(tài)，休眠狀態(tài)。分別計(jì)算三種狀態(tài)下的功耗，再累加就得到定位器一個(gè)定位工作周期的功耗。經(jīng)過測試，在開闊環(huán)境下北斗GPS模塊的冷啟動(dòng)定位時(shí)間約35秒，期間工作電流為約30mA。GPRS模塊上傳數(shù)據(jù)注冊聯(lián)網(wǎng)和發(fā)送數(shù)據(jù)電流約200 mA，每次聯(lián)網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)用時(shí)約30秒;休眠狀態(tài)下北斗GPS、GPRS模塊都斷電，定位器電流約20uA。按30分鐘喚醒定位一次計(jì)算，一個(gè)工作周期的功耗約1.4mAh。按草原上定位器實(shí)際使用工況，每天白天工作12小時(shí)定位24次，夜間休眠12小時(shí)計(jì)算，一天的功耗33.6mAh，理論上一塊1000mAh的鋰電池可維持工作約28天。為了驗(yàn)證實(shí)際工作效果，2019年8月份在內(nèi)蒙古錫林郭勒蘇尼特草原上進(jìn)行了測試，選取了6個(gè)定位器分2組，一組單純1000mAh鋰電池供電，一組采用鋰電池和太陽能互補(bǔ)供電。測試數(shù)據(jù)見表1。

　　從實(shí)際測試結(jié)果來看，單純鋰電池供電的3個(gè)定位器持續(xù)工作21天后，剩余電量均不足10%，比理論計(jì)算工作時(shí)長略短。而太陽能互補(bǔ)充電的3個(gè)定位器在工作21天后，剩余電量均70%左右，可見，在日照比較充足的地方，太陽能互補(bǔ)充電方式可有效延長定位器的續(xù)航時(shí)間。

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