太陽能充電設計論文范文參考一：
目前無人機的應用方面做出了非常卓越的貢獻，但無人機的弱點也非常明顯，那便是無人機的續航能力非常有限，通常無人機的有效滯空時間為15分鐘左右，這就影響到了無人機的使用范圍，制約了無人機的航程以及相關應用過程中的效率[1]。
本次研究為了達到增加無人機航程由于滯空時間的目的，采取太陽能這種取之不盡的清潔能源來解決這一難題，并且以全新的充電方式，讓無人機擺脫了充電器材和場地的束縛在充電形式和策略方面的技術探索做出了相應的解決對策和應用方案。
1 無人機平臺
構成無人機平臺的主要組成模塊基本上分為四大模組，其中包括感應無人機飛行狀態的傳感器模塊、控制無人機飛行姿態的飛行控制系統模塊、提供旋翼動力的動力系統模塊以及提供能源的電源模塊。另外還有綜合處理數據的處理器模塊和軟件系統模塊。
1.1 傳感器系統模塊。無人機的操作方式和主要工作情況為傳感器將當前無人機的各種狀態的信息進行匯總，并將這些數據傳輸到CPU上，通過飛控系統的實時算法將無人機的姿態反饋給接收機，操縱員則通過控制器發送指令到飛控系統，并由飛控系統來進行數據處理，將動作指令下達到相應的操作面上，從而完成對無人機飛行姿態的控制。
1.2 飛行控制系統模塊。
以大疆無人機為例，其采用的Lightbridge 2控制系統擁有2.4GHz的信號傳輸功率，最遠通信距離可達5000米，并且具有陀螺儀自動找平功能和自動繞飛功能，氣壓計能夠準確將無人機定位在海拔0-3500米的任何空域。該飛行控制系統采用了集成遙控器，用無線鏈路動態適應技術增加了使用的可靠性，并且將影像傳輸功能上升到更高的標準，對于FPV飛行以及電視直播都能滿足特定的需求。
1.3 飛行動力系統模塊。
動力系統方面大疆無人機的負載能力和機動性能也在業內處于領先地位，其采用的M12電機、12100 FOC電調器和R3390螺旋槳為單軸旋翼提供了最大8千克的拉力，整體最大拉力可達到17千克，強勁的動力系統滿足了無人機在全天候的狀態下擁有穩定的性能，同時多旋翼動力系統在極端惡劣的環境下能夠保持穩定的動力輸出，以保證無人機能夠進行各種復雜的任務[2]。
1.4 電源模塊。
大部分無人機都采用220V充電器為無人機的電池進行充電，該模塊采用變壓器來為電池進行供電，從而保證無人機的電池組在各種環境當中都能夠為電池進行充電，以滿足無人機的正常使用。
另外可以利用最新的無線供電QI技術為無人機進行智能充電，當無人機的電容量低于10%的時候，無人機會自動進入歸巢模式，從而尋找到最近的充電器，通過降落在充電巢上，達到為無人機的鋰電池組進行充電的作用。無人機利用QI技術將充電擺脫了傳統充電器需要利用電源插座的人工操作流程的束縛，將無人機充電過程完全一程序化的軟件模式編寫到無人機自動巡航與飛行的代碼當中，一旦需要充電的情況出現后，無人機便會自動根據導航與相應的信號站數據傳送，利用藍牙信息傳輸技術或GPS技術找尋到最近的充電巢，降落在充電巢上完成無線充電的過程。
2 全自動太陽能充電系統的技術特點
采用QI無線充電技術的無人機能夠在沒有充電線路的情況下為電池組進行充電，這種技術如今已經逐漸成熟，許多的手機產品都采用了這種無線充電技術，早在1890年尼古拉·特斯拉便實驗了這種利用電磁感應進行電能傳輸的技術，如今這種技術已經足夠為筆記本電腦的電池進行充電，已經可以滿足無人機電池的充電標準。
另外無線充電的電力來源可以根據具體的需求而做出改進，如今無線充電器依舊依靠基礎設施的電網供電，需要使用220V的交流電，這種充電方式對于無人機的使用來講非常具有應用環境方面的制約性，導致無人機無法在野外或者沒有電源的地方進行充電。為了解決這種問題，可以采用太陽能的充電方式，利用太陽能為無線充電器進行充電，從而讓充電器擺脫電源方面的束縛，隨時隨地都能為無人機進行充電。
全自動太陽能充電系統將成為未來無人機充電的一種發展趨勢，該系統的主要工作情況和系統構成如下(見圖1)：
2.1 太陽能充電模塊。
太陽能電池是整套系統的核心和關鍵，其體現出升級潛力的性能指標便是光電轉換效率，大部分的單晶硅太陽能電池的轉換率為18%左右，基本采用5V電壓、160mA電容的太陽能電池板共計12-15塊來促成并聯電池組，在并聯以后電池組的電壓為20V，在經過穩壓模塊和放回流模塊的并聯。這種形式的太陽能電池板可以參照市政設施方面的太陽能路燈桿或者太陽能熱水器的制作方法，為充電巢提供穩定的電力輸出，同時保證其電量能夠為無人機的電池進行充電，保證無人機的使用。
2.2 無線充電器模塊。
無人機的充電系統采用無線充電的方式，這種無線充電目前性能作為穩定并且可靠性較強的技術是電磁感應技術，利用初級線圈在一定頻率下感應交流電，通過電磁感應在次級線圈中產生一定的電流，從而將能量從傳輸端輸送到接收端。目前世界范圍內采用這種技術的主要是QI標準，QI標準是首個推動無線充電技術標準化的國際組織WPC推出的標準，具備便捷性和通用性兩大特點。第一是對于不同品牌和規格的產品只要符合QI標準，便能夠進行無線充電。第二是所有的電池都從該標準的無線充電器中獲得電能。無人機利用這種無線充電技術，能夠解決不同品牌以及不同型號的無人機在無線充電設備上難以完全匹配的難題，同時也為無人機充電巢提高了通用性。
2.3 智能無人機系統模塊。
無人機需要進行一定的升級才能使用全自動太陽能充電系統，將無人機的操控軟件部分進行升級，編寫程序代碼，命令無人機在電量不足的情況下自動搜尋附近的太陽能無線充電系統的工作站，利用藍牙通訊技術或者GPS信號來確定最近充電巢的位置，然后利用自動導航進行定位，在第一時間飛行到充電器的位置，然后降落在充電巢中，在5-10分鐘的時間內充好電，之后便可以繼續工作。這就需要無人機擁有自動定位和導航的功能，并且根據大數據來分析目前無人機所在的位置與高度，從而得出最近的飛行路線，采取最高效的充電策略。
3 太陽能充電系統的測試
太陽能充電系統最大的挑戰便是系統的穩定性，在野外或郊區這種缺少固定人員維護的場所，這種充電巢和相關的設備可能會受到一定的影響，例如風吹日曬雨淋等，需要定期進行人員的維護，保證設備能夠正常運行。另外便是無人機信號的穩定性，在無人機與充電巢之間需要保持信號的暢通，以便能夠讓無人機準確定位到相應的充電巢，從而開啟充電巢的充電開關，為無人機進行充電。
結論：無人機的續航能力如今已經成為制約無人機應用范圍的瓶頸，通過采用全自動太陽能充電方式來增加無人機的續航性不但順應了實際需求，還提供了一種低碳環保的新能源利用方式，具有非常高的借鑒意義和利用價值。多軸旋翼無人飛行器在能源使用方面的發展前景是非常廣闊的，而太陽能電池與無線充電技術也在不斷發展，未來有望將太陽能充電巢以基礎設施的形式普及到各地，成為無人機的主要動力來源。
太陽能充電設計論文范文參考二：
隨著互聯網、物聯網技術在畜牧業滲透，“互聯網+畜牧業”的生產模式正在改變畜牧業傳統落后的生產方式。[1-4]如近些年出現的畜群定位跟蹤器，可實時監測畜群位置并協助牧民實現遠程放牧，有效降低牧民放牧勞動強度，提高生產效率，節約放牧人力成本。[5-6]目前，市面上的畜群定位跟蹤器大都由原來的車載定位器、寵物定位器或是兒童定位手表改裝而成，這些定位器雖然在功能上基本滿足畜群定位的需求，但在續航工作時間、環境適應性等方面卻滿足不了牛羊定位的實際需求，嚴重影響了實際使用效果。本文針對此問題設計一種帶太陽能互補充電的畜群定位器，硬件采用STM32L151微處理器、SIM800L和Air530北斗定位模塊組成的低功耗設計方案，并設計了低功耗電源管理電路;軟件在實現基本定位跟蹤功能的基礎上，重點設計一套太陽能互補充電低功耗工作策略。[7-8]著重解決目前畜群定位跟蹤器使用中存在的困境。
1 定位器整體設計方案
為提高實際使用中定位器的續航能力，需要進行低功耗設計，[9-10]定位器沒有采用成熟的MTK6261D或MTK2503D定位器方案，而采用超低功耗的單片機+北斗GPS+GPRS模塊方案來實現，[11-12]以保證系統功耗和性能的最優化。系統主要由北斗GPS定位模塊、加速度傳感器、GPRS模塊、STM32L151微處理器及電源供給管理系統構成。整體結構如圖1所示。
電源供給管理系統由鋰電池、太陽能充電板、電源充放電管理電路等構成。系統從硬件設計的角度保證了低功耗、高續航的可行性。定位器主要實現以下功能：按一定時間間隔定位并上傳，時間可調。在沒有GPRS信號的時候，保持GPRS模塊關機，當北斗GPS獲取的位置數據距離變化超1公里以上時，才嘗試開機。當定位器靜止不動時，進入休眠模式。定位器電池電壓低且太陽能充電效率又不高時，自動將定位間隔加大。
2 定位器硬件設計
為了保證定位器的高續航能力，定位器硬件從器件選型到電路設計都進行了低功耗設計。
2.1 控制核心設計
定位器選用基于CARTEX-M3內核的超低功耗32位微控制器STM32L151C8T6作為控制核心;[13-14]其具有64KB的閃存，32KB的靜態RAM，4KB的EEPROM，具有3個可用的串口/UART，和多路12為ADC通道;并提供多種超低功耗模式，其中stop模式下控制器最低功耗不足2uA。可以很好地滿足本設計對功耗和性能的要求。核心控制器電路原理圖如圖2所示。
2.2 北斗GPS模塊、GPRS模塊設計
Air530模塊是一款高性能、高集成度的多模衛星定位導航模塊，具有體積小、功耗低等特點。模塊支持Beidou / GPS /GLONASS/Galileo/QZSS/SBAS。采用了射頻基帶一體化設計，集成了DC/DC、LDO、LNA、射頻前端、基帶處理、32 位RISC CPU、RAM、FLASH 存儲、RTC 和電源管理等功能。提供超高的性能，即使在弱信號的地方，也能快速、準確的定位。且具有多種節能模式，非常適合本設計。
數據通信模塊采用SIM800L來實現，其工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗實現語音、SMS和數據信息的傳輸，尺寸為15.8mm×17.8mm×2.4mm，能適合本定位器設計需求。SIM800L與STM32L151C8T6通過串口進行直接連接。[15]通過AT命令實現對SIM800L的操作。
2.3 電源管理電路
為了盡可能降低系統功耗，為北斗GPS模塊及GPRS模塊均設計了電源管理電路，方便在系統進入休眠狀時徹底斷開其供電電源，GPRS電源管理電路如圖3，采用MOS管實現通斷控制，其中，MOS管SI2305可實現2A電流的通斷管理，完全滿足本系統應用，北斗GPS電源管理電路類似。
2.4 太陽能充電控制電路
一般不超過兩行。本系統設計了如圖4所示的太陽能充電控制電路，主要采用CN3791 控制芯片實現，能夠自動跟蹤太陽能板的最大功率點，可最大限度地利用太陽能板的輸出功率，且具有恒流和恒壓充電模式。對于深度放電的鋰電池，CN3791用所設置的恒流充電電流的17.5%對電池進行涓流充電。在恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，當充電電流降低到恒流充電電流的16%時，充電結束。在充電結束狀態，如果電池電壓下降到恒壓充電電壓的95.5%，自動開始新的充電周期。
3 定位器軟件設計
3.1 定位器軟件整體工作流程
定位器軟件采用Keil5軟件集成編譯環境來進行軟件的開發，核心任務就是獲取北斗GPS位置數據，并將定位數據上傳到服務器。定位器首先初始化工作環境，接著采集電池電壓和太陽能充電電壓，然后北斗GPS模塊開機開始獲取位置數據，如果上傳數據時間到，則GPRS模塊開機聯網并上傳數據;這些工作完成后，定位器進入超低功耗休眠狀態，等下次工作時間到，有RTC喚醒進入下一定位周期。
3.2 定位器低功耗工作策略
由于草原上GPRS網絡信號覆蓋不好，很多區域沒有GPRS信號，因此當定位器處在這些區域開機聯網時，會出現GPRS模塊長時間連接不上網的現象，而GPRS模塊在聯網時功耗較大，峰值電流可達2A(4V供電)，因此，為了避免在無信號區域定位器長時間聯網耗電的情況，設計了如圖5所示的GPRS模塊開機判斷程序，工作流程如下：每次GPRS模塊開機聯網后，記錄聯網狀態，如果上次聯網不成功，則下次GPRS模塊在距上次嘗試聯網地點距離超過1公里(根據實際使用地網絡覆蓋狀況，距離長度可調)時，才再次嘗試開機。這樣，有效避免了在無網絡區域多次嘗試開機而大量耗電的現象。
定位器整個系統在實現基本定位功能的基礎上，針對實際使用環境，著重設計了低功耗工作策略。定位器采用鋰電池和太陽能互補充電的供電方式，為了確保定位器長時間正常工作并延長鋰電池的使用壽命，系統采用概率檢測模型判斷太陽能充電效率，采用如圖6所示工作流程。檢測計數器初始值設為5，并每隔一定時間(時間長度可調，默認30分鐘)檢測一次太陽能充電電壓U2。如果U2>5V，則說明此刻充電效率較好，檢測計數器值加1;如果U2<4.2V，則說明此刻充電效率較差，檢測計數器值減1;如果5V
4 定位器功耗計算及測試
定位器正常工作時每個工作周期可分為以下三個狀態：北斗GPS定位狀態，GPRS上傳數據狀態，休眠狀態。分別計算三種狀態下的功耗，再累加就得到定位器一個定位工作周期的功耗。經過測試，在開闊環境下北斗GPS模塊的冷啟動定位時間約35秒，期間工作電流為約30mA。GPRS模塊上傳數據注冊聯網和發送數據電流約200 mA，每次聯網發送數據用時約30秒;休眠狀態下北斗GPS、GPRS模塊都斷電，定位器電流約20uA。按30分鐘喚醒定位一次計算，一個工作周期的功耗約1.4mAh。按草原上定位器實際使用工況，每天白天工作12小時定位24次，夜間休眠12小時計算，一天的功耗33.6mAh，理論上一塊1000mAh的鋰電池可維持工作約28天。為了驗證實際工作效果，2019年8月份在內蒙古錫林郭勒蘇尼特草原上進行了測試，選取了6個定位器分2組，一組單純1000mAh鋰電池供電，一組采用鋰電池和太陽能互補供電。測試數據見表1。
從實際測試結果來看，單純鋰電池供電的3個定位器持續工作21天后，剩余電量均不足10%，比理論計算工作時長略短。而太陽能互補充電的3個定位器在工作21天后，剩余電量均70%左右，可見，在日照比較充足的地方，太陽能互補充電方式可有效延長定位器的續航時間。
如果您現在遇到期刊選擇、論文內容改善、論文投稿周期長、難錄用、多次退修、多次被拒等問題，可以告訴學術顧問，解答疑問同時給出解決方案 。
