無(wú)人駕駛飛行器（UAV）越來(lái)越多地用于廣泛的應(yīng)用，從監(jiān)測(cè)天氣和叢林火災(zāi)到交通分析。隨著電子和材料技術(shù)的改進(jìn)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注利用機(jī)翼上的太陽(yáng)能電池組為太陽(yáng)能提供動(dòng)力來(lái)推動(dòng)傳感器和傳感器。這已經(jīng)在飛機(jī)上得到了證明，飛機(jī)可以一次停留數(shù)天，但是設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池的功率預(yù)算的挑戰(zhàn)是關(guān)鍵。無(wú)人機(jī)越來(lái)越多地用于監(jiān)測(cè)，并且增加可以攜帶的傳感器的范圍增加了可用性。

一個(gè)例子來(lái)自澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)的研究人員正在研究太陽(yáng)能無(wú)人駕駛飛行系統(tǒng)，用于全天候監(jiān)視。 2.5米翼展Green Falcon采用最先進(jìn)的能量收集和傳感器技術(shù)，配備新一代預(yù)警系統(tǒng)，配備遙感和視覺(jué)數(shù)據(jù)功能，可檢測(cè)澳大利亞的叢林火災(zāi)，挽救生命并造成數(shù)百萬(wàn)美元的損失。該大學(xué)的目標(biāo)是在未來(lái)兩年內(nèi)將無(wú)人機(jī)商用。

該工藝重8.8磅，無(wú)需有效載荷，可手動(dòng)發(fā)射，由28個(gè)單晶太陽(yáng)能電池供電，產(chǎn)生0.5 W ，由最大功率點(diǎn)跟蹤器，定制能源管理系統(tǒng)和鋰離子電池提供支持。

圖1：綠色獵鷹手 - 在昆士蘭科技大學(xué)開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)。

與有人駕駛飛機(jī)不同，無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)為每天24小時(shí)運(yùn)行，因此它在白天使用太陽(yáng)能并將多余的能量?jī)?chǔ)存在車載電池組中天黑以后為飛機(jī)提供動(dòng)力。該工藝配備紅外攝像機(jī)，用于夜間搜索操作，以查找失蹤人員，將信息傳遞到地面的緊急服務(wù)，所有這些都需要由太陽(yáng)能電池和電池系統(tǒng)供電。

雖然規(guī)模很小，但研究人員正在研究群集能力，以便多個(gè)單位可以通過(guò)無(wú)線鏈路直接相互通信，以覆蓋最大可能的區(qū)域。

其他研究人員正在研究無(wú)人駕駛無(wú)人機(jī)監(jiān)控交通附加傳感器。 Phastball-0已在美國(guó)西弗吉尼亞大學(xué)（WVU）開(kāi)發(fā)，可提供高分辨率圖像，可用于工作區(qū)管理，交通擁堵，安全和環(huán)境影響研究。與固定位置地面?zhèn)鞲衅飨啾龋瑱C(jī)載傳感器可從多個(gè)角度提供移動(dòng)性和測(cè)量。

手動(dòng)發(fā)射的無(wú)人機(jī)是為高速公路應(yīng)用的遙感定制而成，翼展96英寸，起飛重量為21磅，包括7磅的遙感有效載荷。該飛機(jī)采用9通道R/C無(wú)線電系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程駕駛，并配有一對(duì)無(wú)刷電動(dòng)風(fēng)扇。電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的使用簡(jiǎn)化了飛行操作并減少了車載傳感器上的振動(dòng)量。

遙感有效載荷系統(tǒng)包括一個(gè)高分辨率數(shù)碼相機(jī)，GPS接收器，低 - 成本慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS），400碼下行激光測(cè)距儀，飛行數(shù)據(jù)記錄儀，攝像機(jī)和無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)。

英國(guó)國(guó)防研究公司Qinetiq正在開(kāi)展工作在更大的無(wú)人駕駛無(wú)人機(jī)上稱為Zephyr。這架高空長(zhǎng)航時(shí)（HALE）飛機(jī)不停飛行超過(guò)三天，目標(biāo)是在空中停留更長(zhǎng)時(shí)間。與其他無(wú)人機(jī)一樣，它也是手動(dòng)發(fā)射，并使用非晶薄膜太陽(yáng)能電池在白天提供電力。晚上，電源來(lái)自鋰硫電池。

圖2：Qinetiq在英國(guó)開(kāi)發(fā)的Zephyr太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)使用非晶太陽(yáng)能電池保持空中傳播。

英國(guó)國(guó)防部資助了Zephyr的開(kāi)發(fā)迄今為止，并與美國(guó)國(guó)防部（DoD）合作開(kāi)展了聯(lián)合能力技術(shù)示范（JCTD）計(jì)劃，該計(jì)劃旨在將急需的技術(shù)迅速轉(zhuǎn)移到美軍現(xiàn)場(chǎng)。美國(guó)國(guó)防部資助了該計(jì)劃下的示范飛行，這是兩國(guó)政府首次參加聯(lián)合演示的HALE無(wú)人機(jī)。

政府看到了地球觀測(cè)和通信中繼等潛在應(yīng)用。支持一系列國(guó)防，安全和民用要求。

然而，泰坦航空航天公司正在為其Solara無(wú)人高空飛機(jī)提供另一種替代方案，該飛機(jī)旨在用作“大氣衛(wèi)星”。/p》

正在開(kāi)發(fā)兩個(gè)版本。 50米長(zhǎng)的Solara 50長(zhǎng)15.5米（54英尺），可承載32千克（70磅）的有效載荷。較大的Solara 60橫跨60米（197英尺），最大可承載100公斤（250磅）。

圖3：Solara來(lái)自泰坦航空航天公司的50架太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)旨在作為一個(gè)空中移動(dòng)電話基站，在空中停留長(zhǎng)達(dá)五年。

該飛行器由上翼的3000個(gè)太陽(yáng)能電池供電，電梯和水平穩(wěn)定器提供高達(dá)7千瓦的功率，將多余的鋰離子電池存放在機(jī)翼內(nèi)。這提供足夠的動(dòng)力使無(wú)人機(jī)在65英里/小時(shí)和20公里（65，000英尺）的巡航高度下保持空中長(zhǎng)達(dá)五年。每架飛機(jī)在午夜使用電池電源起飛，然后整天從太陽(yáng)能電池重新充電。

Solara 50使用自動(dòng)駕駛儀，可以自動(dòng)飛行，起飛和降落飛機(jī);除了有效載荷中的各種車載傳感器外，它還具有高速無(wú)線電鏈路，可將遙測(cè)數(shù)據(jù)傳回地面站。泰坦甚至認(rèn)為該飛機(jī)用于為超過(guò)6，500平方英里（16，800平方公里）的區(qū)域提供手機(jī)覆蓋，取代了超過(guò)100個(gè)基站。

太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池對(duì)這些無(wú)人機(jī)的發(fā)展至關(guān)重要，有三種不同的類型：晶體硅，非晶硅或化合物半導(dǎo)體。

與晶體硅不同，非晶硅具有不規(guī)則的原子排列，由此產(chǎn)生的倒數(shù)光子和硅原子之間的作用更頻繁地發(fā)生，允許更多的光被吸收。這意味著可以生產(chǎn)小于1μm的超薄非晶硅膜并用于發(fā)電。這種薄型電池與輕質(zhì)塑料基板相結(jié)合，使非晶硅太陽(yáng)能電池（如松下的Amorton技術(shù)）成為無(wú)人駕駛無(wú)人機(jī)所需能量的理想選擇。

Amorton是一種集成的非晶硅太陽(yáng)能電池，由Panasonic的SANYO部門使用硅烷（SiH4）作為其源氣體開(kāi)發(fā)，并使用等離子體化學(xué)氣相沉積（CVD）制造。 CVD工藝在玻璃基板上構(gòu)建三個(gè)非晶硅層，p-，i-和n-層。該p-i-n結(jié)對(duì)應(yīng)于晶體硅太陽(yáng)能電池的p/n結(jié)。在該結(jié)形成的過(guò)程中，許多單元一次串聯(lián)連接在基板上。這樣可以獲得任何所需的電壓。

圖4：Amorton太陽(yáng)能電池的層結(jié)構(gòu)。

這是與細(xì)胞被切割然后連接的晶體硅非常不同，因?yàn)樗试S多個(gè)電池在電池形成的同時(shí)串聯(lián)連接，從而產(chǎn)生具有各種電壓的電池，可以針對(duì)無(wú)人機(jī)功率進(jìn)行優(yōu)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，從而形成僅為0.3的能量收集源。毫米厚。

圖5：采用Amorton技術(shù)電源管理的松下84μA非晶太陽(yáng)能電池。

電源管理對(duì)無(wú)人機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)都至關(guān)重要。對(duì)于傳感器，德州儀器的eZ430-RF2500-SEH太陽(yáng)能收集開(kāi)發(fā)套件有助于在基于超低功耗MSP430微控制器的無(wú)人機(jī)內(nèi)創(chuàng)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

圖6：TI的eZ430太陽(yáng)能收集開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。

它包括一個(gè)高效太陽(yáng)能電池板（2.25 x 2.25“），可提供足夠的電力來(lái)運(yùn)行無(wú)線傳感器應(yīng)用，無(wú)需額外電池。該系統(tǒng)還在Cymbet的一對(duì)薄膜可充電EnerChip中管理和存儲(chǔ)額外的能量，這些能夠?yàn)槌^(guò)400次傳輸提供足夠的電力。 EnerChips充當(dāng)能量緩沖器，在應(yīng)用程序處于睡眠狀態(tài)時(shí)存儲(chǔ)能量并且具有可用于收獲的光。電池是環(huán)保的，可以充電數(shù)千次。它們還具有非常低的自放電，這對(duì)于無(wú)功率能量收集系統(tǒng)至關(guān)重要。

eZ430-RF2500用于運(yùn)行能量收集應(yīng)用。它是一個(gè)完整的基于USB的MSP430無(wú)線開(kāi)發(fā)工具，提供使用MSP430F2274微控制器和CC2500 2.4 GHz無(wú)線收發(fā)器所需的所有硬件和軟件。它包括一個(gè)USB調(diào)試接口，允許對(duì)MSP430進(jìn)行實(shí)時(shí)的系統(tǒng)內(nèi)調(diào)試和編程，它也是從無(wú)線系統(tǒng)向PC傳輸數(shù)據(jù)的接口。

eZ430-RF2500-SEH傳感器監(jiān)視器是一個(gè)完整的開(kāi)源應(yīng)用程序，包括用于硬件測(cè)試的示例能量感知項(xiàng)目，可用作能量收集項(xiàng)目的框架。為MSP430提供固件，以及用于顯示來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)樣本的PC演示應(yīng)用程序。在太陽(yáng)能電池提供的預(yù)算緊張的情況下，管理無(wú)人機(jī)中所有系統(tǒng)的電源至關(guān)重要。 bq25504是德州儀器（TI）全新智能集成能量采集電源管理系列中的第一款產(chǎn)品，專門用于高效采集和管理各種直流電源產(chǎn)生的微瓦（μW）至miliwatts（mW）功率bq25504的設(shè)計(jì)始于高效的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器/充電器，只需要微瓦的功率即可開(kāi)始工作，一旦啟動(dòng)，就能有效地從中獲取電能。低壓輸出采集器，如單節(jié)或雙節(jié)太陽(yáng)能電池板。升壓轉(zhuǎn)換器可以在VIN低至330 mV的情況下啟動(dòng)，一旦啟動(dòng)，可以繼續(xù)將能量收集到80 mV的輸入電壓。

圖7：TI的bq25504 DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器/充電器示意圖顯示了最大功率點(diǎn)管理模塊。

bq25504還實(shí)現(xiàn)了可編程的最大功率點(diǎn)跟蹤采樣網(wǎng)絡(luò)，以優(yōu)化功率傳輸?shù)皆O(shè)備。采用外部電阻對(duì)VIN_DC開(kāi)路電壓進(jìn)行采樣，并使用外部電容（CREF）進(jìn)行采樣。

對(duì)于工作在最大功率點(diǎn)（MPP）為開(kāi)路電壓80％的太陽(yáng)能電池，電阻分壓器可設(shè)置為VIN_DC電壓的80％，網(wǎng)絡(luò)將控制VIN_DC在該采樣參考電壓附近工作?；蛘撸⒖刂破骺梢蕴峁┩獠繀⒖茧妷?，以產(chǎn)生更復(fù)雜的MPPT算法。

bq25504的設(shè)計(jì)靈活，可以支持這些無(wú)人機(jī)中使用的各種儲(chǔ)能元件和電池技術(shù)，從鋰離子到鋰 - 硫。存儲(chǔ)元件確保在無(wú)人機(jī)上的所有系統(tǒng)需要時(shí)可以獲得恒定功率，并且還允許系統(tǒng)處理不能直接來(lái)自太陽(yáng)能電池的任何峰值電流。

圖8：將bq25504連接到太陽(yáng)能電池陣列，為太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)供電。

為了防止損壞電池并延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間，無(wú)論是最大值還是最小值根據(jù)用戶編程的欠壓（UV）和過(guò)壓（OV）電平監(jiān)控電壓。為了進(jìn)一步幫助用戶嚴(yán)格管理電池的能量預(yù)算，當(dāng)蓄電池或電容器上的電壓降至預(yù)設(shè)的臨界水平以下時(shí)，bq25504切換電池良好標(biāo)志，向連接的微處理器發(fā)出信號(hào)。這應(yīng)該觸發(fā)負(fù)載電流的脫落，以防止系統(tǒng)進(jìn)入欠壓狀態(tài)。 OV，UV和電池良好的閾值都是獨(dú)立編程的。 bq25504采用小尺寸，16引腳，3 mm x 3 mm QFN封裝，適用于小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。

結(jié)論

無(wú)人機(jī)等小型和大型太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)對(duì)于多種監(jiān)控任務(wù)來(lái)說(shuō)，它們變得越來(lái)越有趣。隨著最初的原型在空中停留幾個(gè)小時(shí)，新一代無(wú)人機(jī)正在優(yōu)化太陽(yáng)能電池技術(shù)和電源管理，以便在運(yùn)行中花費(fèi)數(shù)年時(shí)間，開(kāi)辟各種新機(jī)會(huì)。

仔細(xì)管理系統(tǒng)的電源可延長(zhǎng)電池壽命，使飛行器可以飛行更長(zhǎng)時(shí)間，從而可以更好地監(jiān)控道路和天氣，以及針對(duì)危急情況的更多搜索模式。優(yōu)化太陽(yáng)能電池和電源管理的額外功率還支持更多傳感器系統(tǒng)，如慣性導(dǎo)航和紅外攝像機(jī)，以提高無(wú)人機(jī)的效用并改善業(yè)務(wù)案例?，F(xiàn)在，額外的可用功率也足以為先進(jìn)的蜂群算法提供動(dòng)力，以增加小型飛機(jī)的覆蓋范圍，甚至達(dá)到運(yùn)行蜂窩基站的合適水平。