巡检无人机车队灾备车载应急充电方法与流程

本发明涉及一种巡检无人机车队灾备车载应急充电方法。

背景技术：

随着国民经济和电力系统的快速发展，电网的规模也在不断扩大，近些年来，我国的架空输电线路覆盖区域越来越广。预计到2020年，输电线路总里程将达1.59×10⁶km以上，但需要注意到的是,这些线路中有60%以上的都处于山区，野外环境对线路的影响主要体现在易发生导线断股腐蚀、绝缘子破损炸裂、杆塔倾斜和线路走廊安全距离不足等设备缺陷或通道安全隐患。如果不能及时发现并处理这些隐患，就可能会引发严重的事故，威胁电力系统的安全和稳定。当前，对线路的巡视主要还是以人工巡查为主，但由于野外环境状况复杂，传统的人工巡检需要耗费大量的时间、人力和财力，且效率低下。随着无人机技术的发展和应用，越来越多地电力企业开始采用无人机自动巡线。

电力输电线和电力设备的无人机巡检具有迅速快捷、不受地形环境限制、工作效率高，事故发生小，安全性高、机动性和灵活性强，出勤率高等优点，是目前电力线和电力设备巡检的发展趋势。但是无人机巡检也存在续航能力差的缺点，在发生自然灾害后的灾后电力线路巡检中，需要无人机高强度、高频次启动巡检，现有的无人机充电装置难以满足灾后无人机应急充电的需求。开发巡检无人机车队的应急充电装置，对灾后无人机巡检具有十分重要的保障作用。

无人机在巡视（检）时需要靠电池提供飞行动力，目前无人机电池的容量仅供巡航15分钟左右，当电池电量耗完时无人机需飞回充电，充电时间需要3-4小时。且无人机的电池充电寿命有限，平时维护时电池不能满电保存，一般是在确认巡检任务出发前进行充电，充电完成后出发巡检。这种工作模式在实际工作中存在一些问题，一个是野外往往不存在电池充电的条件，如果想长时间的巡检，需要提供多块的备用电池，成本高且灵活性受限制；二是如果遇到紧急情况需要外出巡检，必须先完成电池的充电才能出发，时间安排受到很大的限制。

基于无人机巡视检过程中电池的应急充电需求，本发明研发一种用于野外巡检的无人机车队应急充电方法。该系统安装在野外应急作业车上，接到应急任务时，可以在奔赴应急任务现场途中对电池进行充电，到达巡检地点后还可以持续地对备用电池进行充电。该应急充电系统的应用不仅可以减少备用电池的数量，还可以有效地利用巡检途中时间，有效地提高无人机电池的利用效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种巡检无人机车队灾备车载应急充电方法，有效提高无人机电池的利用效率，减小备用电池数量，大幅扩大无人机的续航能力和巡航范围，对灾后无人机巡检起到重要的保障作用，此外，对其它无人机野外作业现场的电池能量持续供电也具有很好的保障作用。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种巡检无人机车队灾备车载应急充电方法，提供一巡检无人机车队灾备车载应急充电系统，其设有24v直流母线，该系统包括设于机柜内的ac/dc模块、dc/ac模块、温度检测单元、视频监控单元、散热单元、智能充电电路板、蓄电池组、车载发电机，所述智能充电电路板上设置有充电控制器及与该充电控制器连接的用于检测无人机锂电池状态的锂电池状态检测模块、用于控制温度检测单元工作状态的温度控制器、dc/dc充电模块；所述车载发电机通过航空插头、第一空气开关、ac/dc模块、第二空气开关连接至所述24v直流母线；所述蓄电池组通过第三空气开关与24v直流母线连接；所述dc/ac模块通过第四空气开关连接至所述24v直流母线；所述dc/dc充电模块通过第五空气开关连接至所述24v直流母线，所述温度控制器、散热单元、视频监控单元均连接至24v直流母线，所述第一至第五空气开关均连接至所述充电控制器；所述巡检无人机车队灾备车载应急充电方法实现如下，

（1）当车辆处于行进途中时，充电控制器控制第三空气开关、第五空气开关闭合，蓄电池组即可通过dc/dc充电模块为无人机锂电池进行充电，同时充电控制器控制第四空气开关闭合，使得蓄电池组能够通过dc/ac模块为灾备应急人员携带的220v交流电设备进行充电；

（2）当车辆停于灾备现场时，充电控制器控制第一空气开关、第二空气开关、第五空气开关闭合，车载发电机即可通过ac/dc模块、dc/dc充电模块为无人机锂电池进行充电；同时充电控制器控制第三空气开关、第四空气开关闭合，车载发电机能够通过ac/dc模块为蓄电池组充电，且车载发电机能够通过ac/dc模块、dc/ac模块为灾备应急人员携带的220v交流电设备进行充电；

（3）当温度检测单元检测到机柜内温度大于阈值，或视频监控单元监测到机柜内出现包括烟火的情况时，充电控制器控制散热单元启动。

在本发明一实施例中，所述机柜为三层机柜，所述散热单元为两个风扇，所述ac/dc模块、dc/ac模块设置于机柜顶层底板，机柜顶层两侧壁还设置有两个通风口，两个风扇分别设于该该两个通风口处，所述智能充电电路板设置于所述机柜第二层底板上，所述机柜第二层底板上还设置有用于放置需充电的无人机锂电池的锂电池充电槽，所述蓄电池组设置于所述机柜底层底板上。

在本发明一实施例中，所述温度检测单元包括第一至第八温度传感器，所述视频监控单元包括第一至第三监控摄像头，所述第一温度传感器、第一监控摄像头设置于所述机柜顶层，所述第二至第七温度传感器、第二监控摄像头设置于所述机柜第二层，所述第八温度传感器、第三监控摄像头设置于所述机柜底层。

在本发明一实施例中，所述第二至第七温度传感器均匀分布于所述机柜第二层。

在本发明一实施例中，所述蓄电池组均由两个12v铅酸电池串联而成。

在本发明一实施例中，所述ac/dc模块包括ac/dc主电路模块和ac/dc控制电路模块，所述ac/dc主电路模块包括依次连接的输入滤波模块、交错并联pfc整流模块、全桥llc谐振变换器模块、输出整流滤波模块，所述ac/dc主电路模块还包括辅助电源、pwm驱动电路模块，所述ac/dc控制电路模块包括控制模块、采样模块，所述控制模块通过采样模块采样所述ac/dc主电路模块的故障信号、电压电流信号，所述控制模块还通过所述辅助电源、pwm驱动电路模块与所述全桥llc谐振变换器模块连接。

在本发明一实施例中，所述交错并联pfc整流模块为交错并联boostpfc电路；所述全桥llc谐振变换器模块由全桥逆变电路、谐振网络及整流滤波网络三部分构成。

在本发明一实施例中，所述控制模块为dsp数字处理器，其由tms320f28035、tms320f28033数字控制芯片组成，以分别控制所述全桥llc谐振变换器模块和交错并联pfc整流模块。

在本发明一实施例中，所述dc/ac模块包括dc/ac主电路模块和dc/ac控制电路模块，其中dc/ac主电路模块包括推挽升压电路和单相全桥逆变电路，dc/ac控制电路模块包括pwm驱动电路和spwm驱动电路。

在本发明一实施例中，所述pwm驱动电路采用uc2846芯片，所述spwm驱动电路采用pic18f2331芯片。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明有效提高无人机电池的利用效率，减小备用电池数量，大幅扩大无人机的续航能力和巡航范围，对灾后无人机巡检起到重要的保障作用，此外，对其它无人机野外作业现场的电池能量持续供电也具有很好的保障作用。

附图说明

图1为本发明巡检无人机车队灾备车载应急充电系统机柜结构示意图。

图2为本发明应急充电系统原理框图。

图3为本发明应急充电系统不使用备用汽油发电工作机原理框图。

图4为本发明应急充电系统不使用备用汽油发电工作机原理框图。

图5为本发明ac/dc模块框图。

图6为本发明ac/dc主电路原理图。

图7为本发明平均电流控制的boostpfc电路原理图。

图8为本发明28035包含的主要模块功能框图。

图9为本发明dc/ac模块框图。

图10为本发明dc/ac主电路原理图。

图11为uc2846内部原理图。

图12为逆变电路控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种巡检无人机车队灾备车载应急充电方法，提供一巡检无人机车队灾备车载应急充电系统，其设有24v直流母线，该系统包括设于机柜内的ac/dc模块、dc/ac模块、温度检测单元、视频监控单元、散热单元、智能充电电路板、蓄电池组、车载发电机，所述智能充电电路板上设置有充电控制器及与该充电控制器连接的用于检测无人机锂电池状态的锂电池状态检测模块、用于控制温度检测单元工作状态的温度控制器、dc/dc充电模块；所述车载发电机通过航空插头、第一空气开关、ac/dc模块、第二空气开关连接至所述24v直流母线；所述蓄电池组通过第三空气开关与24v直流母线连接；所述dc/ac模块通过第四空气开关连接至所述24v直流母线；所述dc/dc充电模块通过第五空气开关连接至所述24v直流母线，所述温度控制器、散热单元、视频监控单元均连接至24v直流母线，所述第一至第五空气开关均连接至所述充电控制器；所述巡检无人机车队灾备车载应急充电方法实现如下，

（1）当车辆处于行进途中时，充电控制器控制第三空气开关、第五空气开关闭合，蓄电池组即可通过dc/dc充电模块为无人机锂电池进行充电，同时充电控制器控制第四空气开关闭合，使得蓄电池组能够通过dc/ac模块为灾备应急人员携带的220v交流电设备进行充电；

（2）当车辆停于灾备现场时，充电控制器控制第一空气开关、第二空气开关、第五空气开关闭合，车载发电机即可通过ac/dc模块、dc/dc充电模块为无人机锂电池进行充电；同时充电控制器控制第三空气开关、第四空气开关闭合，车载发电机能够通过ac/dc模块为蓄电池组充电，且车载发电机能够通过ac/dc模块、dc/ac模块为灾备应急人员携带的220v交流电设备进行充电；

（3）当温度检测单元检测到机柜内温度大于阈值，或视频监控单元监测到机柜内出现包括烟火的情况时，充电控制器控制散热单元启动。

所述机柜为三层机柜，所述散热单元为两个风扇，所述ac/dc模块、dc/ac模块设置于机柜顶层底板，机柜顶层两侧壁还设置有两个通风口，两个风扇分别设于该该两个通风口处，所述智能充电电路板设置于所述机柜第二层底板上，所述机柜第二层底板上还设置有用于放置需充电的无人机锂电池的锂电池充电槽，所述蓄电池组设置于所述机柜底层底板上。所述温度检测单元包括第一至第八温度传感器，所述视频监控单元包括第一至第三监控摄像头，所述第一温度传感器、第一监控摄像头设置于所述机柜顶层，所述第二至第七温度传感器、第二监控摄像头设置于所述机柜第二层，所述第八温度传感器、第三监控摄像头设置于所述机柜底层。所述第二至第七温度传感器均匀分布于所述机柜第二层。

所述蓄电池组均由两个12v铅酸电池串联而成。

所述ac/dc模块包括ac/dc主电路模块和ac/dc控制电路模块，所述ac/dc主电路模块包括依次连接的输入滤波模块、交错并联pfc整流模块、全桥llc谐振变换器模块、输出整流滤波模块，所述ac/dc主电路模块还包括辅助电源、pwm驱动电路模块，所述ac/dc控制电路模块包括控制模块、采样模块，所述控制模块通过采样模块采样所述ac/dc主电路模块的故障信号、电压电流信号，所述控制模块还通过所述辅助电源、pwm驱动电路模块与所述全桥llc谐振变换器模块连接。所述交错并联pfc整流模块为交错并联boostpfc电路；所述全桥llc谐振变换器模块由全桥逆变电路、谐振网络及整流滤波网络三部分构成。所述控制模块为dsp数字处理器，其由tms320f28035、tms320f28033数字控制芯片组成，以分别控制所述全桥llc谐振变换器模块和交错并联pfc整流模块。

所述dc/ac模块包括dc/ac主电路模块和dc/ac控制电路模块，其中dc/ac主电路模块包括推挽升压电路和单相全桥逆变电路，dc/ac控制电路模块包括pwm驱动电路和spwm驱动电路。所述pwm驱动电路采用uc2846芯片，所述spwm驱动电路采用pic18f2331芯片。

以下为本发明的具体实施过程。

如图1-2所示，本发明的巡检无人机车队灾备车载应急充电系统，可同时为6块无人机锂电池进行充电。整套应急充电系统由汽油发电机、电源供应器（铅酸蓄电池组）、整流模块（ac/dc）、逆变模块（dc/ac）、pl8充电模块（dc/dc）、温度监测模块、无人机负载锂电池电压智能检测模块等组成。

当车辆处于行进途中，需进行无人机锂电池充电时，智能充电电路板控制蓄电池组通过智能充电电路板的dc/dc充电模块为无人机锂电池进行充电，同时智能充电电路板控制蓄电池组过dc/ac模块为灾备应急人员携带的220v交流电设备进行充电；具体工程过程如图3所示，在这一工况下，由蓄电池组提供充电电源，工作时只要将机柜内两个空开合闸，同时将8#，11#空开合闸，对应9#，12#指示灯亮。就可以利用蓄电池存储的能量给无人机锂电池充电，在蓄电池满电状态下，可提供最大9600va的电能，并可提供稳压稳频220v交流电源。

当车辆停于灾备现场，需进行无人机锂电池充电时，智能充电电路板控制车载发电机通过ac/dc模块、智能充电电路板的dc/dc充电模块为无人机锂电池进行充电，同时智能充电电路板控制车载发电机通过ac/dc模块为蓄电池组进行充电；具体工程过程如图4所示，在这一工况下，由汽油发电机提供充电电源，工作时只要将机柜内两个空开合闸，同时将面板上3#，6#，8#，11#空开合闸，对应4#，7#，9#，12#指示灯亮。就可以利用汽油发电机提供的电能给无人机锂电池充电，并提供稳压稳频220v交流电源。

上述为无人机锂电池充电的具体实现过程如下：

在pl8充电模块工作状态下，锂电池充电之前，将贴在锂电池上的信号芯片贴近锂电池智能检测模块，以供检测模块读取该电池信息，此时设于机柜上的屏幕将会显示出该电池的容量及电压

当检测模块成功读取电池信息后，将锂电池连接到充电板（即智能充电电路板），选择合适的充电接口，则锂电池开始充电，并在屏幕上显示出充电信息

由于巡检无人机车队灾备车载应急充电系统为无人机锂电池时，机柜内会出现温度升高等情况，因此在机柜第二层分别放置了6个温度监测探头，机柜顶层及底层分别放置一个温控监测探头。当锂电池充电温度或电源设备工作温度高于温度探测仪设定的温度时可人为设置（例如分别为40度和50度），风扇开始工作。当温度高于安全工作温度时（70度），蜂鸣器会发出警报。

为实现对机柜内部情况的实时监控（机柜内出现可能出现烟火的情况时），机柜的每层都有一个监控摄像头，用于实时监控各模块及锂电池充电的工作状态。通过无线将平板电脑或手机与监控摄像相连接，则可以实现对机柜各模块的实时监控。摄像机内置数据存储卡，当工作人员需要查看历史录像时，可通过读取存储卡中的数据来进行回看。

本发明上述巡检无人机车队灾备车载应急充电系统的整流模块（ac/dc）、逆变模块（dc/ac）为本发明巡检无人机车队灾备车载应急充电系统为无人机锂电池充电的具体部分，具体阐述如下。

整流模块（ac/dc）：由于无人机充电电源柜是常放置在汽车上，所以电源的抗震性、密闭性、温度范围等都是要考虑的内容，其次因常在户外工作，便要求电源具备工作效率要高、电网谐波要低、输入输出稳定、体积小、功率密度高、可控性能优良、输出功率等级要相对大等特点。且由于对蓄电池充电的时候，蓄电池的两端电压会随电池电量而变换，所以整流模块（ac/dc）的输出电压范围要宽。

根据性能要求等，整流模块（ac/dc）结构包括ac/dc主电路模块和ac/dc控制电路模块，ac/dc主电路模块包括依次连接的输入滤波模块、交错并联pfc整流模块、dc-dc（全桥llc谐振变换器模块）、输出整流滤波模块，ac/dc主电路模块还包括辅助电源、pwm驱动电路模块，ac/dc控制电路模块包括控制模块、采样模块，所述控制模块通过采样模块采样所述ac/dc主电路模块的故障信号、电压电流信号，所述控制模块还通过所述辅助电源、pwm驱动电路模块与所述全桥llc谐振变换器模块连接。

前级采用的是交错并联boostpfc整流技术，其能够在增大功率的同时增大功率密度，且具有较小的电流纹波。dc-dc部分采用的是全桥llc谐振变换器，其不仅能够实现原边功率开关管全负载范围内的zvs开通，也能实现副边整流二极管的zcs关断，同时还具备宽电压输出，提高了充电设备的整机效率。

在控制部分，dc-dc采用的是ti公司的数字控制芯片tms320f28035型dsp，pfc采用的是数字控制芯片tms320f28033型dsp，实现电压电流检测、控制、保护等功能，由于dsp的处理信号速度很快，能够使整个充电设备控制起来更方便，从而充电设备的系统稳定性能更优。整体设计结构如图5所示。

本发明的ac/dc主电路的电路结构采用交错pfc电路+全桥llc谐振电路的两级结构，具体电路结构如图6所示。该电路的前级交错并联pfc电路实现了ac/dc转换，同时提高输入的功率因数并抑制输入电流的高次谐波，后级的llc谐振变换电路实现dc/dc变换，调节输出与负载相匹配，并且实现输入与输出的隔离。由于交错并联pfc电路与全桥llc谐振电路的优势，整个电路的开关损耗都被极大的降低，从而使整个电路效率更高。

本发明的ac/dc控制电路的电路结构分为交错并联pfc控制和dc-dc电路控制。其中，交错并联pfc控制在ccm模式下电流控制可分为滞环电流控制（hysteresiscurrentcontrol，hcc）；峰值电流控制（peakcurrentmodecontrol，pcmc）；平均电流控制（averagecurrentmodecontrol，acmc）。由于平均电流控制方式有很多优点，如thd会更小、平均值和电感电流峰值的误差比较小、增益宽带比较高、跟踪误差比较小、畸变小等，且适合用于较大功率场合，所以本设计的电感电流控制方式采用平均电流控制方式，如图7所示为boostpfc平均电流控制的原理图。dc-dc电路控制采用ti的tms320f28035处理器，28035是ti的piccolo系列dsp，具有传统的定点c28x核心和支持单精度浮点运算的协处理器-控制律加速器（controllawaccelerator，简称cla）。c28x核心与cla协处理器均支持60m主频，cla协处理器支持对ad、epwm数据的直接读取以及相关模块的直接配置，并且支持自动休眠，相比tms320f28335而言，在保持了较强性能的同时，价格低得多，因此本文提出的方案采用了此dsp作为主控制器。该芯片的主要功能框图如图8所示。

逆变模块（dc/ac）包括dc/ac主电路模块和dc/ac控制电路模块，其中dc/ac主电路模块包括推挽升压电路和单相全桥逆变电路，dc/ac控制电路模块包括pwm驱动电路和spwm驱动电路。pwm驱动电路采用uc2846芯片，spwm驱动电路采用pic18f2331芯片。逆变模块框图如图9所示。主要由四部分组成：

（1）直流升压电路：采用推挽升压电路，其主要作用是将电池输出的24v直流电升压到200v直流电压。

（2）逆变电路：采用单相全桥逆变电路，将直流电压转换成220v50hz交流电供以便于使用。

（3）滤波电路：通过lc滤波器，使逆变输出电压中的高次谐波滤除，减少谐波影响。

（4）控制电路：由单片机作为主控芯片，控制各个模块协调工作，以及实现各种控制算法，使系统按设定的状态工作。

本发明的dc/ac主电路模块采用推挽升压和全桥逆变两级变换，如图10所示。dc/ac主电路模块为用单片机控制的正弦波输出逆变电源，以电池组输入的24v直流电源作为输入，输出220v50hz的正弦波交流电，以满足大部分常规小电器的供电需求。该电源采用推挽升压和全桥逆变两级变换，前后级之间完全隔离。在控制电路上,前级推挽升压电路采用芯片uc2846控制,采样变压器绕组电压做闭环反馈；逆变部分采用单片机数字化spwm控制方式，采样输出电压做反馈控制，在保护上具有输入过、欠压保护，输出过载、短路保护，过热保护等多重保护功能电路，增强了该电源的可靠性和安全性。

输入电压一端接在变压器原边的中间抽头，另一端接在开关管s1及s2的中点。控制s1及s2轮流导通，在变压器原边形成高频的交流电压,经过变压器升压、整流和滤波在电容c1上得到200/400v直流电压。对s3～s6组成的逆变桥采用正弦脉宽调制，逆变输出电压经过电感l、电容c2滤波后，最终在负载上得到220v50hz的正弦波交流电。采用高频变压器实现前后级之间的隔离，有利于提高系统的安全性。

如图11、12所示，本发明的dc/ac控制电路模块也分为两部分。前级推挽升压电路由pwm控制芯片uc2846控制,采样变压器绕组电压实现电压闭环反馈控制。输入24v的直流电压，由uc2846pwm控制电路控制高频交流生成电路中的两开关管轮流导通，在变压器原边形成高频的交流电压，并经过变压器的整合，最终在滤波电容上获得200v的直流电压。后级全桥逆变器采用单极性spwm调制方式。正弦脉宽调制spwm技术具有线性调压、抑制谐波等优点,是目前应用最为广泛的脉宽调制技术。由单片机pic18f2331控制驱动电路对逆变桥正弦脉宽调制主电路中的4个开关管进行正弦脉宽调制，直流电压经过逆变电路输出后，最终在负载上得到指定频率与幅值的正弦波。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。