一種撲翼仿鳥飛行器的混合動(dòng)力源系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)器人科學(xué)、材料科學(xué)與工程等學(xué)科的交叉領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種撲翼 仿鳥飛行器的混合動(dòng)力源系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 小型無人飛行器由于其體積小、重量輕、成本低、隱身性和可操作性好、起降空間 小、噪音低、隱蔽性好等特點(diǎn)，在國(guó)防和民用領(lǐng)域中均有著十分重要而廣泛的應(yīng)用。依據(jù)其 飛行原理和布局方式的不同，小型無人飛行器分為W下S類；固定翼、旋翼和撲翼。撲翼仿 生飛行器是模仿鳥類或昆蟲飛行的新概念小型飛行器，其通過翼的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生升力和推力， 既屬于仿生機(jī)器人范疇，又屬于飛行器范疇。鳥類和昆蟲的撲翼飛行存在若干差異，主要表 現(xiàn)在；軀干外形與翼的結(jié)構(gòu)，翼的撲動(dòng)頻率、扭轉(zhuǎn)角及揮擺角。撲翼飛行是生物進(jìn)化中自然 選擇的結(jié)果，自然界中的飛行生物無一例外均采用撲翼方式飛行，仿生學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)研 究均表明：對(duì)于特征尺寸相當(dāng)于鳥類或者昆蟲的小型無人飛行器來說，與固定翼和旋翼飛 行相比，撲翼飛行具有機(jī)動(dòng)、靈活、低能耗，W及隱身性好等優(yōu)點(diǎn)，更適宜于長(zhǎng)時(shí)間無能量補(bǔ) 給條件下的遠(yuǎn)距離飛行。
[0003] 由于撲翼仿生飛行器廣闊的應(yīng)用前景和重要的使用價(jià)值，撲翼仿生飛行器的研究 引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注，包括美國(guó)、德國(guó)、日本、英國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家均投入大量資 源開展相關(guān)研究工作。研究者們先后設(shè)計(jì)出了多個(gè)撲翼仿生飛行器樣機(jī)，其中最為突出的 是；德國(guó)費(fèi)斯托（Festo)公司于2011年研制的能夠模擬海聘飛行的機(jī)器鳥（SmartBird)， 其能夠?qū)崿F(xiàn)自主起飛、朝翔及降落。續(xù)航能力是衡量飛行器性能的重要指標(biāo)，飛行器的動(dòng)力 源系統(tǒng)是影響其續(xù)航能力的重要因素。目前撲翼仿鳥飛行器樣機(jī)的動(dòng)力源系統(tǒng)往往采用裡 離子電池為其提供動(dòng)力，但是由于撲翼仿鳥飛行器自身重量的限制，其自身能夠攜帶的裡 離子電池的容量有限，該在很大程度上限制了撲翼仿鳥飛行器的續(xù)航能力，進(jìn)而嚴(yán)重地制 約了撲翼仿鳥飛行器在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
[0004] 太陽(yáng)能電池是一種利用光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，具有無 噪聲、無污染、能量隨處可得，W及無需消耗燃料等優(yōu)點(diǎn)。柔性非晶娃薄膜太陽(yáng)能電池是太 陽(yáng)能電池的一種，具有質(zhì)量輕、高質(zhì)量比功率、柔初可卷曲、防水等優(yōu)點(diǎn)。另一方面，本發(fā)明 中設(shè)及的撲翼仿鳥飛行器體型較大，為安裝柔性薄膜太陽(yáng)能電池提供了空間。
[0005] 針對(duì)目前撲翼仿鳥飛行器研究中動(dòng)力源系統(tǒng)中裡離子電池容量有限，飛行器續(xù)航 能力受限的問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)基于柔性非晶娃薄膜太陽(yáng)能電池和裡離子電池的混合動(dòng)力源 系統(tǒng)為撲翼仿鳥飛行器提供動(dòng)力，其中裡離子電池安轉(zhuǎn)在撲翼仿鳥飛行器的機(jī)身內(nèi)部，直 接為其提供動(dòng)力，柔性非晶娃薄膜太陽(yáng)能電池安轉(zhuǎn)在撲翼仿鳥飛行器的機(jī)身表面，在光照 條件允許的情況下，為裡離子電池充電，旨在不明顯增加動(dòng)力源系統(tǒng)重量的前提下，增強(qiáng)撲 翼仿鳥飛行器的續(xù)航能力。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 針對(duì)撲翼仿鳥飛行器中裡離子電池容量有限，W及飛行器續(xù)航能力受限的問題， 本發(fā)明提出了一種撲翼仿鳥飛行器的混合動(dòng)力源系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)采用柔性非晶娃薄膜 太陽(yáng)能電池與撲翼仿鳥飛行器機(jī)身的一體化設(shè)計(jì)，能夠在不明顯增加動(dòng)力源系統(tǒng)重量的前 提下，提高動(dòng)力輸出，增強(qiáng)撲翼仿鳥飛行器的續(xù)航能力。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[000引一種撲翼仿鳥飛行器的混合動(dòng)力源系統(tǒng)，包括裡離子電池模塊、裡離子電池充電 管理模塊、柔性太陽(yáng)能電池模塊、裡離子電池電壓監(jiān)控模塊和裡離子電池溫度監(jiān)控模塊，其 中：
[0009] 所述裡離子電池模塊，直接為撲翼仿鳥飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)提供能量；
[0010] 所述裡離子電池充電管理模塊，用于跟蹤太陽(yáng)能電池的最大功率電壓，W從太陽(yáng) 能電池中獲得最大功率輸出，并為裡離子電池提供過沖、過流保護(hù)，防止裡離子電池壽命縮 短或受到損壞；
[0011] 所述柔性太陽(yáng)能電池模塊，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，連接裡離子電池充電管理模塊， 為裡離子電池模塊充電；
[0012] 所述裡離子電池電壓監(jiān)控模塊，連接裡離子電池模塊和裡離子電池充電管理模 塊，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控裡離子電池模塊的電壓變化，判斷裡離子電池模塊是否需要充電，如果需 要，發(fā)送信號(hào)給裡離子電池充電管理模塊；
[0013] 所述裡離子電池溫度監(jiān)控模塊，連接裡離子電池模塊和裡離子電池充電管理模 塊，用于監(jiān)控裡離子電池的溫度，在電池溫度過高時(shí)向裡離子電池充電管理模塊發(fā)送信號(hào)， 暫停對(duì)裡離子電池模塊充電。
[0014] 所述裡離子電池充電管理模塊，連接柔性太陽(yáng)能電池模塊、裡離子電池電壓監(jiān)控 模塊、裡離子電池溫度監(jiān)控模塊和裡離子電池模塊。
[0015] 所述柔性太陽(yáng)能電池模塊，包括若干個(gè)柔性非晶娃薄膜太陽(yáng)能電池，安裝在撲翼 仿鳥飛行器的機(jī)身表面。
[0016] 所述裡離子電池模塊的電量與其電壓成正比關(guān)系，包括多個(gè)串聯(lián)的裡離子電池， 安裝在撲翼仿鳥飛行器的機(jī)身內(nèi)部。
[0017] 所述裡離子電池電壓監(jiān)控模塊利用開爾文四線檢測(cè)技術(shù)測(cè)量電池電壓，W避免電 池正極與裡離子電池電壓監(jiān)控模塊的電壓輸入管腳間寄生電阻（包括導(dǎo)線電阻和接觸電 阻）對(duì)電壓測(cè)量準(zhǔn)確性的影響。
[001引所述裡離子電池溫度監(jiān)控模塊利用負(fù)溫度系數(shù)（NTC)熱敏電阻的阻值和溫度的 關(guān)系，實(shí)時(shí)監(jiān)控裡離子電池的溫度。
[0019] 基于上述混合動(dòng)力源系統(tǒng)的工作方法，包括W下步驟：
[0020] (1)在撲翼仿鳥飛行器飛行過程中，裡離子電池模塊直接為撲翼仿鳥飛行器的動(dòng) 力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)提供能量；
[0021] (2)若裡離子電池電壓監(jiān)控模塊判斷出裡離子電池模塊需要充電，在工作環(huán)境允 許的情況下，柔性太陽(yáng)能電池模塊通過裡離子電池充電管理模塊對(duì)裡離子電池模塊充電， 裡離子電池充電管理模塊能夠最大效率地利用太陽(yáng)能電池為裡離子電池充電，并提供過 沖、過流保護(hù)；
[0022] (3)在太陽(yáng)能電池對(duì)裡離子電池進(jìn)行充電的過程中，裡離子電池溫度監(jiān)控模塊用 于防止裡離子電池因溫度的異常升高而受到損害；
[0023] (4)當(dāng)裡離子電池電壓監(jiān)控模塊監(jiān)控到裡離子電池電量充滿時(shí)，裡離子電池充電 管理模塊停止太陽(yáng)能電池對(duì)裡離子電池充電。
[0024] 所述步驟（2)中的工作環(huán)境包括光照強(qiáng)度。
[0025] 所述步驟（2)中，裡離子電池充電管理模塊的充電管理方式包括：
[0026] (2-1)預(yù)充電模式；當(dāng)裡離子電池端電壓低于設(shè)定電壓時(shí)，裡離子電池充電管理 模塊對(duì)裡離子電池進(jìn)行小電流預(yù)充電，裡離子電池充電管理模塊輸出正在充電信號(hào)；
[0027] (2-2)恒流充電模式：當(dāng)裡離子電池端電壓高于設(shè)定電壓時(shí)，裡離子電池充電管 理模塊進(jìn)入恒流充電模式，在該模式下，W恒定電流對(duì)裡離子電池充電，裡離子電池充電管 理模塊輸出正在充電信號(hào)；
[002引 （2-如恒壓充電模式；當(dāng)裡離子電池端電壓接近截止電壓時(shí)，裡離子電池充電管 理模塊進(jìn)入恒壓充電模式，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流小于充電結(jié)束闊值電流時(shí)充電 結(jié)束，裡離子電池充電管理模塊輸出充電結(jié)束信號(hào)；
[0029] (2-4)充電結(jié)束后，當(dāng)裡離子電池端電壓再次低于截止電壓時(shí)，混合動(dòng)力源系統(tǒng)進(jìn) 入新的充電周期。
[0030] 所述步驟（3)中，裡離子電池溫度監(jiān)控模塊利用NTC熱敏電阻的阻值和溫度的關(guān) 系，實(shí)時(shí)監(jiān)控裡離子電池的溫度，當(dāng)裡離子電池的溫度高于最大闊值溫度的時(shí)間達(dá)到設(shè)定 時(shí)間時(shí)，裡離子電池充電管理模塊暫停對(duì)裡離子電池充電；若裡離子電池的溫度低于最大 闊值溫度的時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，裡離子電池充電管理模塊恢復(fù)對(duì)裡離子電池正常充電。
[0031] 本發(fā)明的有益效果為：
[003引 （1)基于柔性非晶娃薄膜太陽(yáng)能電池質(zhì)量輕、高質(zhì)量比功率、柔初可卷曲、防水等 特點(diǎn)，采用柔性非晶娃薄膜太陽(yáng)能電池與撲翼仿鳥飛行器機(jī)身的一體化設(shè)計(jì)，在不明顯增 加動(dòng)力源系統(tǒng)重量的前提下，為撲翼仿鳥飛行器設(shè)計(jì)出了一種實(shí)用、安全、高效、且在一定 條件下能夠?qū)崿F(xiàn)自我能量補(bǔ)充的混合動(dòng)力源系統(tǒng)，有效地提高了撲翼仿鳥飛行器的續(xù)航能 力；
[0033] (2)針對(duì)太陽(yáng)能電池所能提供的能量受工作環(huán)境影響很大的問題，設(shè)有裡離子電 池充電管理模塊，其能夠最大效率地利用太陽(yáng)能電池為裡離子電池充電，并為裡離子電池 提供過沖、過流保護(hù)。
【附圖說明】
[0034] 圖1是基于柔性太陽(yáng)能電池和裡離子電池的混合動(dòng)力源系統(tǒng)的組成示意圖；
[0035] 圖2是柔性太陽(yáng)能電池模塊組成示意圖；
[0036] 圖3是裡離子電池充電管理模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖4是裡離子電池充電管理模塊工作流程圖；
[003引圖5是裡離子電池溫度監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)示意圖。
[0039] 其中，A;電源正極；B;電源負(fù)極；1 ;輸入電源正極；2 ;檢測(cè)電池電壓輸入端；3 ;電 源負(fù)極；4 ;充電狀態(tài)指示；5 ;輸出電源正極；6 ;檢測(cè)電池溫度輸入端。
【具體實(shí)施方式】：
[0040] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0041] 如圖1所示，裡離子電池模塊；裡離子電池模塊由兩節(jié)可充電裡離子電池串聯(lián)而 成，內(nèi)置NTC熱敏電阻。該模塊安裝在撲翼仿鳥飛行器的機(jī)身內(nèi)部，直接為飛行器提供能 量。
[0042] 柔性太陽(yáng)能電池模塊：如圖2所示，柔性太陽(yáng)能電池模塊由六片柔性非晶娃薄膜 太陽(yáng)能電池S串兩并組成。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，即；光照強(qiáng)度lOOmW/cm2,光譜AM1. 5(AM1. 5 表示太陽(yáng)光入射角偏離頭頂46.