一种扑翼仿鸟飞行器的混合动力源系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机器人科学、材料科学与工程等学科的交叉领域，尤其设及一种扑翼 仿鸟飞行器的混合动力源系统及方法。
【背景技术】
[0002] 小型无人飞行器由于其体积小、重量轻、成本低、隐身性和可操作性好、起降空间 小、噪音低、隐蔽性好等特点，在国防和民用领域中均有着十分重要而广泛的应用。依据其 飞行原理和布局方式的不同，小型无人飞行器分为W下S类；固定翼、旋翼和扑翼。扑翼仿 生飞行器是模仿鸟类或昆虫飞行的新概念小型飞行器，其通过翼的运动产生升力和推力， 既属于仿生机器人范畴，又属于飞行器范畴。鸟类和昆虫的扑翼飞行存在若干差异，主要表 现在；躯干外形与翼的结构，翼的扑动频率、扭转角及挥摆角。扑翼飞行是生物进化中自然 选择的结果，自然界中的飞行生物无一例外均采用扑翼方式飞行，仿生学和空气动力学研 究均表明：对于特征尺寸相当于鸟类或者昆虫的小型无人飞行器来说，与固定翼和旋翼飞 行相比，扑翼飞行具有机动、灵活、低能耗，W及隐身性好等优点，更适宜于长时间无能量补 给条件下的远距离飞行。
[0003] 由于扑翼仿生飞行器广阔的应用前景和重要的使用价值，扑翼仿生飞行器的研究 引起了国内外学者的重点关注，包括美国、德国、日本、英国在内的许多国家均投入大量资 源开展相关研究工作。研究者们先后设计出了多个扑翼仿生飞行器样机，其中最为突出的 是；德国费斯托（Festo)公司于2011年研制的能够模拟海聘飞行的机器鸟（SmartBird)， 其能够实现自主起飞、朝翔及降落。续航能力是衡量飞行器性能的重要指标，飞行器的动力 源系统是影响其续航能力的重要因素。目前扑翼仿鸟飞行器样机的动力源系统往往采用裡 离子电池为其提供动力，但是由于扑翼仿鸟飞行器自身重量的限制，其自身能够携带的裡 离子电池的容量有限，该在很大程度上限制了扑翼仿鸟飞行器的续航能力，进而严重地制 约了扑翼仿鸟飞行器在相关领域的应用潜力。
[0004] 太阳能电池是一种利用光生伏特效应将太阳能转换为电能的半导体器件，具有无 噪声、无污染、能量随处可得，W及无需消耗燃料等优点。柔性非晶娃薄膜太阳能电池是太 阳能电池的一种，具有质量轻、高质量比功率、柔初可卷曲、防水等优点。另一方面，本发明 中设及的扑翼仿鸟飞行器体型较大，为安装柔性薄膜太阳能电池提供了空间。
[0005] 针对目前扑翼仿鸟飞行器研究中动力源系统中裡离子电池容量有限，飞行器续航 能力受限的问题，本发明设计基于柔性非晶娃薄膜太阳能电池和裡离子电池的混合动力源 系统为扑翼仿鸟飞行器提供动力，其中裡离子电池安转在扑翼仿鸟飞行器的机身内部，直 接为其提供动力，柔性非晶娃薄膜太阳能电池安转在扑翼仿鸟飞行器的机身表面，在光照 条件允许的情况下，为裡离子电池充电，旨在不明显增加动力源系统重量的前提下，增强扑 翼仿鸟飞行器的续航能力。
【发明内容】
[0006] 针对扑翼仿鸟飞行器中裡离子电池容量有限，W及飞行器续航能力受限的问题， 本发明提出了一种扑翼仿鸟飞行器的混合动力源系统及方法，该系统采用柔性非晶娃薄膜 太阳能电池与扑翼仿鸟飞行器机身的一体化设计，能够在不明显增加动力源系统重量的前 提下，提高动力输出，增强扑翼仿鸟飞行器的续航能力。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[000引一种扑翼仿鸟飞行器的混合动力源系统，包括裡离子电池模块、裡离子电池充电 管理模块、柔性太阳能电池模块、裡离子电池电压监控模块和裡离子电池温度监控模块，其 中：
[0009] 所述裡离子电池模块，直接为扑翼仿鸟飞行器的动力系统和控制系统提供能量；
[0010] 所述裡离子电池充电管理模块，用于跟踪太阳能电池的最大功率电压，W从太阳 能电池中获得最大功率输出，并为裡离子电池提供过冲、过流保护，防止裡离子电池寿命缩 短或受到损坏；
[0011] 所述柔性太阳能电池模块，将太阳能转化为电能，连接裡离子电池充电管理模块， 为裡离子电池模块充电；
[0012] 所述裡离子电池电压监控模块，连接裡离子电池模块和裡离子电池充电管理模 块，用于实时监控裡离子电池模块的电压变化，判断裡离子电池模块是否需要充电，如果需 要，发送信号给裡离子电池充电管理模块；
[0013] 所述裡离子电池温度监控模块，连接裡离子电池模块和裡离子电池充电管理模 块，用于监控裡离子电池的温度，在电池温度过高时向裡离子电池充电管理模块发送信号， 暂停对裡离子电池模块充电。
[0014] 所述裡离子电池充电管理模块，连接柔性太阳能电池模块、裡离子电池电压监控 模块、裡离子电池温度监控模块和裡离子电池模块。
[0015] 所述柔性太阳能电池模块，包括若干个柔性非晶娃薄膜太阳能电池，安装在扑翼 仿鸟飞行器的机身表面。
[0016] 所述裡离子电池模块的电量与其电压成正比关系，包括多个串联的裡离子电池， 安装在扑翼仿鸟飞行器的机身内部。
[0017] 所述裡离子电池电压监控模块利用开尔文四线检测技术测量电池电压，W避免电 池正极与裡离子电池电压监控模块的电压输入管脚间寄生电阻（包括导线电阻和接触电 阻）对电压测量准确性的影响。
[001引所述裡离子电池温度监控模块利用负温度系数（NTC)热敏电阻的阻值和温度的 关系，实时监控裡离子电池的温度。
[0019] 基于上述混合动力源系统的工作方法，包括W下步骤：
[0020] (1)在扑翼仿鸟飞行器飞行过程中，裡离子电池模块直接为扑翼仿鸟飞行器的动 力系统和控制系统提供能量；
[0021] (2)若裡离子电池电压监控模块判断出裡离子电池模块需要充电，在工作环境允 许的情况下，柔性太阳能电池模块通过裡离子电池充电管理模块对裡离子电池模块充电， 裡离子电池充电管理模块能够最大效率地利用太阳能电池为裡离子电池充电，并提供过 冲、过流保护；
[0022] (3)在太阳能电池对裡离子电池进行充电的过程中，裡离子电池温度监控模块用 于防止裡离子电池因温度的异常升高而受到损害；
[0023] (4)当裡离子电池电压监控模块监控到裡离子电池电量充满时，裡离子电池充电 管理模块停止太阳能电池对裡离子电池充电。
[0024] 所述步骤（2)中的工作环境包括光照强度。
[0025] 所述步骤（2)中，裡离子电池充电管理模块的充电管理方式包括：
[0026] (2-1)预充电模式；当裡离子电池端电压低于设定电压时，裡离子电池充电管理 模块对裡离子电池进行小电流预充电，裡离子电池充电管理模块输出正在充电信号；
[0027] (2-2)恒流充电模式：当裡离子电池端电压高于设定电压时，裡离子电池充电管 理模块进入恒流充电模式，在该模式下，W恒定电流对裡离子电池充电，裡离子电池充电管 理模块输出正在充电信号；
[002引 （2-如恒压充电模式；当裡离子电池端电压接近截止电压时，裡离子电池充电管 理模块进入恒压充电模式，充电电流逐渐减小，当充电电流小于充电结束阔值电流时充电 结束，裡离子电池充电管理模块输出充电结束信号；
[0029] (2-4)充电结束后，当裡离子电池端电压再次低于截止电压时，混合动力源系统进 入新的充电周期。
[0030] 所述步骤（3)中，裡离子电池温度监控模块利用NTC热敏电阻的阻值和温度的关 系，实时监控裡离子电池的温度，当裡离子电池的温度高于最大阔值温度的时间达到设定 时间时，裡离子电池充电管理模块暂停对裡离子电池充电；若裡离子电池的温度低于最大 阔值温度的时间达到设定时间时，裡离子电池充电管理模块恢复对裡离子电池正常充电。
[0031] 本发明的有益效果为：
[003引 （1)基于柔性非晶娃薄膜太阳能电池质量轻、高质量比功率、柔初可卷曲、防水等 特点，采用柔性非晶娃薄膜太阳能电池与扑翼仿鸟飞行器机身的一体化设计，在不明显增 加动力源系统重量的前提下，为扑翼仿鸟飞行器设计出了一种实用、安全、高效、且在一定 条件下能够实现自我能量补充的混合动力源系统，有效地提高了扑翼仿鸟飞行器的续航能 力；
[0033] (2)针对太阳能电池所能提供的能量受工作环境影响很大的问题，设有裡离子电 池充电管理模块，其能够最大效率地利用太阳能电池为裡离子电池充电，并为裡离子电池 提供过冲、过流保护。
【附图说明】
[0034] 图1是基于柔性太阳能电池和裡离子电池的混合动力源系统的组成示意图；
[0035] 图2是柔性太阳能电池模块组成示意图；
[0036] 图3是裡离子电池充电管理模块结构示意图；
[0037] 图4是裡离子电池充电管理模块工作流程图；
[003引图5是裡离子电池温度监控模块实现示意图。
[0039] 其中，A;电源正极；B;电源负极；1 ;输入电源正极；2 ;检测电池电压输入端；3 ;电 源负极；4 ;充电状态指示；5 ;输出电源正极；6 ;检测电池温度输入端。
【具体实施方式】：
[0040] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0041] 如图1所示，裡离子电池模块；裡离子电池模块由两节可充电裡离子电池串联而 成，内置NTC热敏电阻。该模块安装在扑翼仿鸟飞行器的机身内部，直接为飞行器提供能 量。
[0042] 柔性太阳能电池模块：如图2所示，柔性太阳能电池模块由六片柔性非晶娃薄膜 太阳能电池S串两并组成。在标准测试条件下，即；光照强度lOOmW/cm2,光谱AM1. 5(AM1. 5 表示太阳光入射角偏离头顶46.