基于機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺的無人機電池電量監(jiān)測系統(tǒng)
隨著無人機技術的普及，無人機產(chǎn)業(yè)將由現(xiàn)有的單一測繪航測，轉型為應用于交通、物流、礦產(chǎn)、電力、水利、農業(yè)、娛樂等多個領域的產(chǎn)業(yè)，可以說無人機服務已經(jīng)進入人們的日常生活。在無人機電池的管理上，卻一直存在著比較大的安全隱患。由于目前無人機電池電量采集技術的相對落后，一旦因為電池電量不足而引起無人機墜毀，將會造成不可估量的損害。因此，及時有效地監(jiān)測無人機電池的剩余電量，并在故障發(fā)生之前，進行實時報警并自救顯得尤為重要。在對無人機電池管理的調查基礎上，對無人機電池電量采集技術進行了研究。設計了一種通過實時監(jiān)測無人機各個電池芯電壓，判斷無人機電池的使用狀況、無人機電池的放電平衡狀態(tài)及無人機電池的剩余電量的監(jiān)控系統(tǒng)。在故障發(fā)生前，進行實時報警，從而避免由于電池性能問題，造成無人機損壞。
系統(tǒng)整體介紹本設計是一款基于STM32單片機的無人機電池性能實時線上監(jiān)測系統(tǒng)，采用AD采集模塊進行無人機電池監(jiān)測，且連接簡單，拆卸方便。在不破壞原有無人機電池結構的基礎上，提高無人機飛行的安全性。該設計采用在線測量方式，在無人機飛行過程中實時監(jiān)測無人機電池狀態(tài)，能及時準確地掌握無人機電池的性能，快速有效地根據(jù)無人機電池狀態(tài)控制無人機的飛行狀態(tài)。同時無人機電池工作狀況可以實時上報云端，相當于飛行器“黑盒子”數(shù)據(jù)實時備份到云端，從而進行無人機電池的線上監(jiān)視，觀察無人機電池電量，并及時報知各芯電壓狀態(tài)，保證無人機正常飛行；該裝置也可以對其他多芯鋰電池的各芯電壓狀態(tài)進行監(jiān)測，及時報告無人機電池組的狀態(tài)，確保設備正常運行。因此可以應用于缺少電池監(jiān)視的無人機系統(tǒng)，以保證無人機的安全。整體功能設計為了在線有效地對無人機電池電量進行實時線上監(jiān)測，系統(tǒng)功能需要由多個子模塊協(xié)作完成。通過對本系統(tǒng)的整體功能進行分析可以得出，無人機電池性能監(jiān)測系統(tǒng)主要由STM32主控模塊、無人機飛行器、電池采樣模塊、液晶顯示模塊及無人機控制模塊等共同組成。各子模塊功能說明STM32主控模塊STM32主控模塊采用STM32F407VET6單片機芯片，運算速度快、集成度高、擴展性強，負責對采集模塊的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)各電池芯電量狀態(tài)，實時采取相應的控制；本裝置無人機電池采用3芯供電，總電壓標準值11.1 V，滿沖狀態(tài)12.6 V，設置保護門限電壓為3.6 V，當無人機電池有一芯電壓低于3.6 V時，保護裝置就會啟動，提示無人機盡快降落，避免墜機風險。液晶顯示模塊液晶顯示模塊是實現(xiàn)人機交互的重要方式，可以彩色顯示各種信息、清晰度高、功耗低，是常用的顯示設備。另外，此電阻式觸摸屏性能優(yōu)良、價格低廉，可以作為良好的人機交互界面。本系統(tǒng)采用了自行設計的電阻觸摸屏，利用2.8寸彩色TFTLCD液晶觸摸屏作為系統(tǒng)的人機交互設備，可用于顯示工作狀態(tài)及各電池芯電壓狀態(tài)以及是否虧電情況，且便于調試工作，也可以在無人機飛行時去掉該模塊，來減輕無人機自身重量。電池采樣模塊電池采樣模塊用于采集無人機電池各芯的電壓信息，該模塊采用大電阻分壓電路，電路簡單可靠、功耗低、成本低。無人機控制模塊無人機控制模塊采用聲音、光電信號，用于提示無人機電池電壓不足或者單芯出現(xiàn)故障等情況。本系統(tǒng)通過esp8266進行云端連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳云端，方便遠程監(jiān)控工作狀態(tài)，控制指令可以通過云端下達，實現(xiàn)遠程控制。系統(tǒng)程序設計系統(tǒng)在進入工作模式之后，首先程序進行初始化，分別設置中斷優(yōu)先級與系統(tǒng)時鐘，然后設置串口1與串口3的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗、收發(fā)等硬件信息，串口1用來進行調試信息，串口3發(fā)送無人機電池測試數(shù)據(jù)。LED初始化，LED用來指示程序運行狀態(tài)；LCD初始化，LCD是界面顯示電芯測試信息，為了顯示漢字設置W25Q存放漢字庫；W25Q初始化，完成漢字庫讀寫測試；按鍵初始化，ADC初始化，ADC輸入端連接電芯采樣電路，采集電芯電壓變化信息；機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺初始化，監(jiān)測裝置通過ESP8266連接機智云平臺，設置機智云對無人機電芯監(jiān)測裝置的采集數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)傳輸方式、數(shù)值類型、讀寫控制等，獲取該設備的Product Key和Product Secret秘鑰。初始化工作準備就緒后，本裝置連接到機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺，可以實時上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，如果硬件存在問題，則輸出錯誤信息，等待故障排除與復位。正常飛行時為了減輕重量可以不接LCD屏，LCD屏用于程序調試方便信息顯示，液晶屏輸出電池信息。采樣電路獲取電池電壓，該模擬量輸入到ADC電路，轉換成數(shù)字信息，可以上傳到機智云，方便查詢與記錄，用戶可以通過電腦端分析電芯數(shù)據(jù)，也可以通過手機APP實時獲取電芯狀態(tài)。通過將測得的數(shù)據(jù)與設定值進行對比，如果電壓低于設定值，就報警，提示用戶電池處于虧電狀態(tài)，及時降落無人機；如果電芯電壓正常就進入循環(huán)狀態(tài)，繼續(xù)監(jiān)測。關鍵性能指標本設計有以下四個關鍵性能指標：① 無人機電池測量裝置連接無人機電池充電接口，對每一個電池芯狀態(tài)進行采樣，得到無人機電池的數(shù)據(jù)，計算無人機電池的剩余電量和剩余使用時間。② 各個無人機電池的電芯電壓經(jīng)過AD轉換，與設置閾值電壓進行比較，根據(jù)電壓狀態(tài)確定無人機飛行狀態(tài)，確保電量降低到一定程度或電芯電壓低于閾值時采取安全措施，確保無人機安全降落。③ 無人機電池在線監(jiān)控系統(tǒng)，將無人機電池信息通過無線收發(fā)模塊，發(fā)送至地面監(jiān)控裝置，無人機操作人員可以及時有效地掌握電池工作狀態(tài)。④ 機載顯示模塊顯示電池狀態(tài)，便于直觀查看電芯信息，為了減輕飛行重量，顯示模塊采用擴展掛載方式，可以去掉顯示模塊。整機完成結構整機完成結構如下圖所示，其中包含當前無人機電池的電量等相關采集數(shù)據(jù)。主要創(chuàng)新點本設計有以下四個主要創(chuàng)新點：①本系統(tǒng)對各電芯分別取樣測量，實時監(jiān)測電池各個電芯，無人機飛行控制器自帶的電池電壓是測量各個電芯串聯(lián)的總電壓，單獨測量各個電芯電壓更能準確反映電池性能狀態(tài)，如有一個電芯性能降低或者失效，電池保護系統(tǒng)就會啟動，確保無人機飛行安全。② 無人機電池充電接口作為采樣點，連接簡單，不破壞電池原有結構。③ 機載顯示模塊做成可拆卸結構，方便使用，便于減輕無人機的飛行重量。④ 加入了機智云管理系統(tǒng)，可以線上監(jiān)控電池電量，保證在無人機安全電量不足時會發(fā)出警告。結論本裝置設計了一款基于STM32單片機的無人機電池性能實時線上監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過實時監(jiān)測無人機各個電池芯電壓情況，來判斷電池使用狀況及電池放電平衡狀態(tài)，且能實時監(jiān)測電池的剩余電量，在故障發(fā)生之前，進行實時報警，從而避免由于電池性能問題造成的無人機損壞。該裝置通過進行多次實驗模擬，能夠實時采集無人機電池的電量信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)設置相應的閾值，采取相應的措施。故本系統(tǒng)可以做到及時有效地預防無人機由于電池電量不足而導致的墜機問題，具有一定的市場前景和實際應用價值。
系統(tǒng)整體介紹本設計是一款基于STM32單片機的無人機電池性能實時線上監(jiān)測系統(tǒng)，采用AD采集模塊進行無人機電池監(jiān)測，且連接簡單，拆卸方便。在不破壞原有無人機電池結構的基礎上，提高無人機飛行的安全性。該設計采用在線測量方式，在無人機飛行過程中實時監(jiān)測無人機電池狀態(tài)，能及時準確地掌握無人機電池的性能，快速有效地根據(jù)無人機電池狀態(tài)控制無人機的飛行狀態(tài)。同時無人機電池工作狀況可以實時上報云端，相當于飛行器“黑盒子”數(shù)據(jù)實時備份到云端，從而進行無人機電池的線上監(jiān)視，觀察無人機電池電量，并及時報知各芯電壓狀態(tài)，保證無人機正常飛行；該裝置也可以對其他多芯鋰電池的各芯電壓狀態(tài)進行監(jiān)測，及時報告無人機電池組的狀態(tài)，確保設備正常運行。因此可以應用于缺少電池監(jiān)視的無人機系統(tǒng)，以保證無人機的安全。整體功能設計為了在線有效地對無人機電池電量進行實時線上監(jiān)測，系統(tǒng)功能需要由多個子模塊協(xié)作完成。通過對本系統(tǒng)的整體功能進行分析可以得出，無人機電池性能監(jiān)測系統(tǒng)主要由STM32主控模塊、無人機飛行器、電池采樣模塊、液晶顯示模塊及無人機控制模塊等共同組成。
各子模塊功能說明STM32主控模塊STM32主控模塊采用STM32F407VET6單片機芯片，運算速度快、集成度高、擴展性強，負責對采集模塊的數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)各電池芯電量狀態(tài)，實時采取相應的控制；本裝置無人機電池采用3芯供電，總電壓標準值11.1 V，滿沖狀態(tài)12.6 V，設置保護門限電壓為3.6 V，當無人機電池有一芯電壓低于3.6 V時，保護裝置就會啟動，提示無人機盡快降落，避免墜機風險。液晶顯示模塊液晶顯示模塊是實現(xiàn)人機交互的重要方式，可以彩色顯示各種信息、清晰度高、功耗低，是常用的顯示設備。另外，此電阻式觸摸屏性能優(yōu)良、價格低廉，可以作為良好的人機交互界面。本系統(tǒng)采用了自行設計的電阻觸摸屏，利用2.8寸彩色TFTLCD液晶觸摸屏作為系統(tǒng)的人機交互設備，可用于顯示工作狀態(tài)及各電池芯電壓狀態(tài)以及是否虧電情況，且便于調試工作，也可以在無人機飛行時去掉該模塊，來減輕無人機自身重量。電池采樣模塊電池采樣模塊用于采集無人機電池各芯的電壓信息，該模塊采用大電阻分壓電路，電路簡單可靠、功耗低、成本低。無人機控制模塊無人機控制模塊采用聲音、光電信號，用于提示無人機電池電壓不足或者單芯出現(xiàn)故障等情況。本系統(tǒng)通過esp8266進行云端連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳云端，方便遠程監(jiān)控工作狀態(tài)，控制指令可以通過云端下達，實現(xiàn)遠程控制。系統(tǒng)程序設計系統(tǒng)在進入工作模式之后，首先程序進行初始化，分別設置中斷優(yōu)先級與系統(tǒng)時鐘，然后設置串口1與串口3的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗、收發(fā)等硬件信息，串口1用來進行調試信息，串口3發(fā)送無人機電池測試數(shù)據(jù)。LED初始化，LED用來指示程序運行狀態(tài)；LCD初始化，LCD是界面顯示電芯測試信息，為了顯示漢字設置W25Q存放漢字庫；W25Q初始化，完成漢字庫讀寫測試；按鍵初始化，ADC初始化，ADC輸入端連接電芯采樣電路，采集電芯電壓變化信息；機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺初始化，監(jiān)測裝置通過ESP8266連接機智云平臺，設置機智云對無人機電芯監(jiān)測裝置的采集數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)傳輸方式、數(shù)值類型、讀寫控制等，獲取該設備的Product Key和Product Secret秘鑰。初始化工作準備就緒后，本裝置連接到機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺，可以實時上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，如果硬件存在問題，則輸出錯誤信息，等待故障排除與復位。正常飛行時為了減輕重量可以不接LCD屏，LCD屏用于程序調試方便信息顯示，液晶屏輸出電池信息。采樣電路獲取電池電壓，該模擬量輸入到ADC電路，轉換成數(shù)字信息，可以上傳到機智云，方便查詢與記錄，用戶可以通過電腦端分析電芯數(shù)據(jù)，也可以通過手機APP實時獲取電芯狀態(tài)。通過將測得的數(shù)據(jù)與設定值進行對比，如果電壓低于設定值，就報警，提示用戶電池處于虧電狀態(tài)，及時降落無人機；如果電芯電壓正常就進入循環(huán)狀態(tài)，繼續(xù)監(jiān)測。
系統(tǒng)主程序重要代碼如下：
adcx1=Get＿Adc＿Average(ADC＿Channel＿3,20);LCD＿ShowxNum(134,130,adcx1,4,16,0);if(adcx1<4096/3.3*3.8/6.17)LCD＿ShowString(30,70,200,16,16,"voltage1isbad");ElseLCD＿ShowString(30,70,200,16,16,"voltage1isgood");temp1=(float)adcx1*(3.3/4096)*6.17;adcx1e=temp1;LCD＿ShowxNum(142,150,adcx1e,1,16,0);=adcx1e;=1000;LCD＿ShowxNum(158,150,temp1,3,16,0X80);delay＿ms(250);adcx2=Get＿Adc＿Average(ADC＿Channel＿4,20);LCD＿ShowxNum(142,170,adcx2,4,16,0);if(adcx2<4096/3.3*7.6/6.17)LCD＿ShowString(30,90,200,16,16,"voltage2isbad");ElseLCD＿ShowString(30,110,200,16,16,"voltage3isgood");temp3=(float)adcx3*(3.3/4096)*6.11;adcx3e=temp3;LCD＿ShowxNum(134,230,adcx3e,2,16,0);=adcx3e;=1000;LCD＿ShowxNum(158,230,temp3,3,16,0X80);delay＿ms(250);
關鍵性能指標本設計有以下四個關鍵性能指標：① 無人機電池測量裝置連接無人機電池充電接口，對每一個電池芯狀態(tài)進行采樣，得到無人機電池的數(shù)據(jù)，計算無人機電池的剩余電量和剩余使用時間。② 各個無人機電池的電芯電壓經(jīng)過AD轉換，與設置閾值電壓進行比較，根據(jù)電壓狀態(tài)確定無人機飛行狀態(tài)，確保電量降低到一定程度或電芯電壓低于閾值時采取安全措施，確保無人機安全降落。③ 無人機電池在線監(jiān)控系統(tǒng)，將無人機電池信息通過無線收發(fā)模塊，發(fā)送至地面監(jiān)控裝置，無人機操作人員可以及時有效地掌握電池工作狀態(tài)。④ 機載顯示模塊顯示電池狀態(tài)，便于直觀查看電芯信息，為了減輕飛行重量，顯示模塊采用擴展掛載方式，可以去掉顯示模塊。整機完成結構整機完成結構如下圖所示，其中包含當前無人機電池的電量等相關采集數(shù)據(jù)。
主要創(chuàng)新點本設計有以下四個主要創(chuàng)新點：①本系統(tǒng)對各電芯分別取樣測量，實時監(jiān)測電池各個電芯，無人機飛行控制器自帶的電池電壓是測量各個電芯串聯(lián)的總電壓，單獨測量各個電芯電壓更能準確反映電池性能狀態(tài)，如有一個電芯性能降低或者失效，電池保護系統(tǒng)就會啟動，確保無人機飛行安全。② 無人機電池充電接口作為采樣點，連接簡單，不破壞電池原有結構。③ 機載顯示模塊做成可拆卸結構，方便使用，便于減輕無人機的飛行重量。④ 加入了機智云管理系統(tǒng)，可以線上監(jiān)控電池電量，保證在無人機安全電量不足時會發(fā)出警告。結論本裝置設計了一款基于STM32單片機的無人機電池性能實時線上監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過實時監(jiān)測無人機各個電池芯電壓情況，來判斷電池使用狀況及電池放電平衡狀態(tài)，且能實時監(jiān)測電池的剩余電量，在故障發(fā)生之前，進行實時報警，從而避免由于電池性能問題造成的無人機損壞。該裝置通過進行多次實驗模擬，能夠實時采集無人機電池的電量信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)設置相應的閾值，采取相應的措施。故本系統(tǒng)可以做到及時有效地預防無人機由于電池電量不足而導致的墜機問題，具有一定的市場前景和實際應用價值。
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