采用能量收集和传感器技术实现太阳能无人驾驶飞行系统设计

无人驾驶飞行器（UAV）越来越多地用于广泛的应用，从监测天气和丛林火灾到交通分析。随着电子和材料技术的改进，人们越来越关注利用机翼上的太阳能电池组为太阳能提供动力来推动传感器和传感器。这已经在飞机上得到了证明，飞机可以一次停留数天，但是设计太阳能电池的功率预算的挑战是关键。无人机越来越多地用于监测，并且增加可以携带的传感器的范围增加了可用性。

一个例子来自澳大利亚昆士兰科技大学的研究人员正在研究太阳能无人驾驶飞行系统，用于全天候监视。 2.5米翼展Green Falcon采用最先进的能量收集和传感器技术，配备新一代预警系统，配备遥感和视觉数据功能，可检测澳大利亚的丛林火灾，挽救生命并造成数百万美元的损失。该大学的目标是在未来两年内将无人机商用。

该工艺重8.8磅，无需有效载荷，可手动发射，由28个单晶太阳能电池供电，产生0.5 W ，由最大功率点跟踪器，定制能源管理系统和锂离子电池提供支持。

图1：绿色猎鹰手 - 在昆士兰科技大学开发无人机。

与有人驾驶飞机不同，无人机设计为每天24小时运行，因此它在白天使用太阳能并将多余的能量储存在车载电池组中天黑以后为飞机提供动力。该工艺配备红外摄像机，用于夜间搜索操作，以查找失踪人员，将信息传递到地面的紧急服务，所有这些都需要由太阳能电池和电池系统供电。

虽然规模很小，但研究人员正在研究群集能力，以便多个单位可以通过无线链路直接相互通信，以覆盖最大可能的区域。

其他研究人员正在研究无人驾驶无人机监控交通附加传感器。 Phastball-0已在美国西弗吉尼亚大学（WVU）开发，可提供高分辨率图像，可用于工作区管理，交通拥堵，安全和环境影响研究。与固定位置地面传感器相比，机载传感器可从多个角度提供移动性和测量。

手动发射的无人机是为高速公路应用的遥感定制而成，翼展96英寸，起飞重量为21磅，包括7磅的遥感有效载荷。该飞机采用9通道R/C无线电系统进行远程驾驶，并配有一对无刷电动风扇。电动推进系统的使用简化了飞行操作并减少了车载传感器上的振动量。

遥感有效载荷系统包括一个高分辨率数码相机，GPS接收器，低 - 成本惯性导航系统（INS），400码下行激光测距仪，飞行数据记录仪，摄像机和无线视频传输系统。

英国国防研究公司Qinetiq正在开展工作在更大的无人驾驶无人机上称为Zephyr。这架高空长航时（HALE）飞机不停飞行超过三天，目标是在空中停留更长时间。与其他无人机一样，它也是手动发射，并使用非晶薄膜太阳能电池在白天提供电力。晚上，电源来自锂硫电池。

图2：Qinetiq在英国开发的Zephyr太阳能无人机使用非晶太阳能电池保持空中传播。

英国国防部资助了Zephyr的开发迄今为止，并与美国国防部（DoD）合作开展了联合能力技术示范（JCTD）计划，该计划旨在将急需的技术迅速转移到美军现场。美国国防部资助了该计划下的示范飞行，这是两国政府首次参加联合演示的HALE无人机。

政府看到了地球观测和通信中继等潜在应用。支持一系列国防，安全和民用要求。

然而，泰坦航空航天公司正在为其Solara无人高空飞机提供另一种替代方案，该飞机旨在用作“大气卫星”。/p》

正在开发两个版本。 50米长的Solara 50长15.5米（54英尺），可承载32千克（70磅）的有效载荷。较大的Solara 60横跨60米（197英尺），最大可承载100公斤（250磅）。

图3：Solara来自泰坦航空航天公司的50架太阳能无人机旨在作为一个空中移动电话基站，在空中停留长达五年。

该飞行器由上翼的3000个太阳能电池供电，电梯和水平稳定器提供高达7千瓦的功率，将多余的锂离子电池存放在机翼内。这提供足够的动力使无人机在65英里/小时和20公里（65，000英尺）的巡航高度下保持空中长达五年。每架飞机在午夜使用电池电源起飞，然后整天从太阳能电池重新充电。

Solara 50使用自动驾驶仪，可以自动飞行，起飞和降落飞机;除了有效载荷中的各种车载传感器外，它还具有高速无线电链路，可将遥测数据传回地面站。泰坦甚至认为该飞机用于为超过6，500平方英里（16，800平方公里）的区域提供手机覆盖，取代了超过100个基站。

太阳能电池

太阳能电池对这些无人机的发展至关重要，有三种不同的类型：晶体硅，非晶硅或化合物半导体。

与晶体硅不同，非晶硅具有不规则的原子排列，由此产生的倒数光子和硅原子之间的作用更频繁地发生，允许更多的光被吸收。这意味着可以生产小于1μm的超薄非晶硅膜并用于发电。这种薄型电池与轻质塑料基板相结合，使非晶硅太阳能电池（如松下的Amorton技术）成为无人驾驶无人机所需能量的理想选择。

Amorton是一种集成的非晶硅太阳能电池，由Panasonic的SANYO部门使用硅烷（SiH4）作为其源气体开发，并使用等离子体化学气相沉积（CVD）制造。 CVD工艺在玻璃基板上构建三个非晶硅层，p-，i-和n-层。该p-i-n结对应于晶体硅太阳能电池的p/n结。在该结形成的过程中，许多单元一次串联连接在基板上。这样可以获得任何所需的电压。

图4：Amorton太阳能电池的层结构。

这是与细胞被切割然后连接的晶体硅非常不同，因为它允许多个电池在电池形成的同时串联连接，从而产生具有各种电压的电池，可以针对无人机功率进行优化用于形成非晶薄膜的方法具有特殊功能，可以使用其他基材（如塑料薄膜）代替通常的玻璃基板，从而形成仅为0.3的能量收集源。毫米厚。

图5：采用Amorton技术电源管理的松下84μA非晶太阳能电池。

电源管理对无人机的推进系统和传感器系统都至关重要。对于传感器，德州仪器的eZ430-RF2500-SEH太阳能收集开发套件有助于在基于超低功耗MSP430微控制器的无人机内创建无线传感器网络。

图6：TI的eZ430太阳能收集开发系统。

它包括一个高效太阳能电池板（2.25 x 2.25“），可提供足够的电力来运行无线传感器应用，无需额外电池。该系统还在Cymbet的一对薄膜可充电EnerChip中管理和存储额外的能量，这些能够为超过400次传输提供足够的电力。 EnerChips充当能量缓冲器，在应用程序处于睡眠状态时存储能量并且具有可用于收获的光。电池是环保的，可以充电数千次。它们还具有非常低的自放电，这对于无功率能量收集系统至关重要。

eZ430-RF2500用于运行能量收集应用。它是一个完整的基于USB的MSP430无线开发工具，提供使用MSP430F2274微控制器和CC2500 2.4 GHz无线收发器所需的所有硬件和软件。它包括一个USB调试接口，允许对MSP430进行实时的系统内调试和编程，它也是从无线系统向PC传输数据的接口。

eZ430-RF2500-SEH传感器监视器是一个完整的开源应用程序，包括用于硬件测试的示例能量感知项目，可用作能量收集项目的框架。为MSP430提供固件，以及用于显示来自网络的数据样本的PC演示应用程序。在太阳能电池提供的预算紧张的情况下，管理无人机中所有系统的电源至关重要。 bq25504是德州仪器（TI）全新智能集成能量采集电源管理系列中的第一款产品，专门用于高效采集和管理各种直流电源产生的微瓦（μW）至miliwatts（mW）功率bq25504的设计始于高效的DC-DC升压转换器/充电器，只需要微瓦的功率即可开始工作，一旦启动，就能有效地从中获取电能。低压输出采集器，如单节或双节太阳能电池板。升压转换器可以在VIN低至330 mV的情况下启动，一旦启动，可以继续将能量收集到80 mV的输入电压。

图7：TI的bq25504 DC-DC升压转换器/充电器示意图显示了最大功率点管理模块。

bq25504还实现了可编程的最大功率点跟踪采样网络，以优化功率传输到设备。采用外部电阻对VIN_DC开路电压进行采样，并使用外部电容（CREF）进行采样。

对于工作在最大功率点（MPP）为开路电压80％的太阳能电池，电阻分压器可设置为VIN_DC电压的80％，网络将控制VIN_DC在该采样参考电压附近工作。或者，微控制器可以提供外部参考电压，以产生更复杂的MPPT算法。

bq25504的设计灵活，可以支持这些无人机中使用的各种储能元件和电池技术，从锂离子到锂 - 硫。存储元件确保在无人机上的所有系统需要时可以获得恒定功率，并且还允许系统处理不能直接来自太阳能电池的任何峰值电流。

图8：将bq25504连接到太阳能电池阵列，为太阳能无人机中的传感器网络供电。

为了防止损坏电池并延长无人机的飞行时间，无论是最大值还是最小值根据用户编程的欠压（UV）和过压（OV）电平监控电压。为了进一步帮助用户严格管理电池的能量预算，当蓄电池或电容器上的电压降至预设的临界水平以下时，bq25504切换电池良好标志，向连接的微处理器发出信号。这应该触发负载电流的脱落，以防止系统进入欠压状态。 OV，UV和电池良好的阈值都是独立编程的。 bq25504采用小尺寸，16引脚，3 mm x 3 mm QFN封装，适用于小型无人机系统。

结论

无人机等小型和大型太阳能无人机对于多种监控任务来说，它们变得越来越有趣。随着最初的原型在空中停留几个小时，新一代无人机正在优化太阳能电池技术和电源管理，以便在运行中花费数年时间，开辟各种新机会。

仔细管理系统的电源可延长电池寿命，使飞行器可以飞行更长时间，从而可以更好地监控道路和天气，以及针对危急情况的更多搜索模式。优化太阳能电池和电源管理的额外功率还支持更多传感器系统，如惯性导航和红外摄像机，以提高无人机的效用并改善业务案例。现在，额外的可用功率也足以为先进的蜂群算法提供动力，以增加小型飞机的覆盖范围，甚至达到运行蜂窝基站的合适水平。