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一个适用于空中持久性作业的自动电池管理系统
作者： N. Kemal Ure，Girish Chowdhary，Tuna Toksoz，Jonathan P. How，Matthew A. Vavrina，John Vian。
摘要：本文介绍了自动电池管理维护系统的开发和硬件实现，显著延长了电池供电的小型无人机（UAV）的运行时间。同时对于充电方法和其它方面做出了一些改变用来克服目前面对的单一充电方法导致的太长的停机时间。自动化系统用补充的UAV快速交换UAV的耗尽电池，同时对几个其他电池再充电。这导致电池维护系统具有低的UAV停机时间，任意可扩展的操作时间和紧凑的占用空间。因此，系统可以启用需要持续存在的多代理UAV任务。该能力通过在飞行中开发和测试集中式自主规划和学习算法来说明，该算法包括取决于在任务期间更新的无人机电池健康的概率健康模型，并且基于改进的模型重新进行改善性能。飞行测试结果提出了3个小时的持续任务与三个UAVs，每个单电池充电（超过100个电池交换）的耐力为8-10分钟。
关键词：二次电池， 航天测试， 自主飞行器， 电池管理系统， 电池供电的无人机， 机电一体化
第一节：介绍
无人机（UAV）在日益多样化的应用中取得了巨大的成功，在很大程度上是因为它们可以在更长的时间内执行“机械，困难而且危险”的任务[1]。各种现实的无人机任务通常需要利用多个（可能是微型）的无人机之间的协作来满足较单个无人机耐久性很短的问题。这种多用途任务的例子包括对感兴趣区域[2] - [3] [4]，地层飞行[5]，持续自主供应前方基地[6]和交通/灾害地区监测[7]的持续监视和侦察。
计算和感测的最新进展已经使微型垂直起飞和着陆的UAV，例如四旋翼飞机，可以用于以成本的一小部分可靠地执行持续的UAV监视和侦察任务[8]。考虑到它们的相对安全性和成本效益，这些四旋翼飞行器也广泛用于室内飞行设施[9] - [10] [11] [12]。然而，目前的电池技术只能为典型的四旋翼飞行器[9]，[13]飞行8-15分钟（取决于发动机，有效载荷和风力条件），这限制了这些小型无人机的任务和实验能力。为了能够维持持久的特派团，在这个过程中，使得能够进行关于开发自主的规划和学习算法的研究，该算法取决于从长期操作获得的数据，需要开发一种能够维持长时间飞行的系统。本文提出了这样一个小型无人机系统，包括一个自动电池更换/充电站，相当于一个加油站。该设备集成了通过支持软件编排的大量机械和电子组件。
为小型无人机开发电池更换/充电站是一个困难和具有挑战性的问题。首先，这种系统必须被紧凑地设计以限制占地面积和便于携带。第二，它必须被设计成与小的（并且可能精密的）电池舱开口接合，并且在执行电池更换时提供充电。最后，其必须通过最小化无人机载电池被再充电所需的停机时间来最大化动力利用。本文提出了自动电池更换/充电站的设计和开发的细节，其满足这些要求并且能够进行长时间的自主任务。这一新功能是通过规划的飞行测试结果和学习算法突出[14] 。
A相关工作
最初的自主电池充电系统被开发用于地面机器人[16]，其中使用对接平台对电池充电，导致连续的一周的操作。在[17]和[18]中，作者设计了类似于[16]的系统，但是使用IR传感器（而不是光学）来定位扩展坞。iRobot [19]和Kiva Systems [20]目前正在商业化使用类似的方法。在[21]和[22]，提出了一种不同的对接机制，依靠特征检测进行定位。Vlad et al[23]使用了类似的对接机制，并且介绍了用于基于收集的数据来估计给定电荷水平上的操作时间的技术。还提出了用于自动化电池管理的方法，其使用安全机构以通过底部的铜触点提供电配合。然而，充电时间（150分钟）基本上比操作时间（15分钟）长，这导致差的利用率。当使用仅基于充电的电池管理技术时，通常观察到长的停机时间的这种趋势。充电时间（150分钟）基本上长于操作时间（15分钟），这导致差的动力利用率。当使用仅基于充电的电池管理技术时，通常观察到长的停机时间的这种趋势。充电时间（150分钟）基本上长于操作时间（15分钟），这导致差的动力利用率。当使用仅基于充电的电池管理技术时，通常观察到长的停机时间的这种趋势。
非接触式的感应使用功率传输和容性功率转印充电的想法[24]已经在足球机器人上实践。由于非接触电传递方法的效率低，这些技术比基于接触的电池充电方法遭受更长的停机时间。这导致动力利用率可能较差。充电问题的另一种方法[25]是利用高能量激光束向飞行中的无人机无线传输电力。这种方法尽管在效率方面是可行的，但由于需要几个移动高能激光发射站，所以实施成本高。此外，该方法被限制为仅在视线内工作。小型无人机的原型电池充电器平台在[26]和[27]中提出，并在24小时任务中验证，类似的[28]方法已被用于使用四旋翼无人机建造堆叠塔。然而，这两种方法都具有非常低的动力利用率（小于50％），因此需要至少两倍的操作UAV来提供持久性。
由于充电方法的长时间停机，一些作者分析和提供了电池更换和充电平台的概念设计[29]，[30]。在[31]中还提出了一种用于电动地面动力的电池转移和充电系统，其包括用于将电池从电池接收站转移到电池交付站的传送带环路，沿途充电，但是不扩展到飞行器并且所提出的输送机系统具有大的占地面积/体积。据我们所知，电池交换机制的唯一实验原型已在[32]中作为自主控制环境测试台的一部分提出。作者设计了一种用于无人机的低重量碳纤维电池组，其也与充电单元连接。[32]中使用的技术采用基于伺服的升降机来交换电池并将其放置在保持充电电池的六边形垫上。六角形垫是水平安装的，其占据比在我们的方法中使用的垂直布置更多的空间。结果设计虽然功能，安静复杂，初始测试确定只有75％的成功率[32]。此外，该机器不提供热插拔能力，因为无人机在电池交换期间失去电力。模拟结果假设积极估计15分钟的再充电时间，并表明，该机可以保持一个小型直升机在飞行32分钟，然后耗尽充满电的电池。但是该结果并未证明该系统可以维持一个四旋翼无人机无限期飞行测试结果。
总之，在给定电池技术的当前状态的情况下，简单地在线对UAV电池充电不会产生良好水平的利用率。众所周知，交换电池可以提高利用率，但是文献的搜索表明没有飞行验证的电池更换/充电系统。最可能的原因是由开发一个可行系统的严格设计标准引起的复杂性，该系统能够为小型无人机维持持续的任务。以下部分介绍了一个电池更换/充电站，克服了这些设计挑战，并显示了通过实验飞行测试的方法的可行性。
B.新充电站设计的特点
在我们的设计中的方法是通过在无人机返回到更换/充电（以下称为充电）站时用充满电的无人机电池交换无人机电池来最小化停机时间。充电站上的电池通过一个单独的队列进行管理，该队列设计用于维持兼容的UAV的无限期飞行。充电站满足以下设计标准，这对于确保持续的飞行操作是重要的：
- 通过交换最小的停机时间：充电站包含交换机制，用新鲜充电的电池更换UAV的耗尽的电池。耗尽的电池在自动管理的电池队列中的站上充电。使用交换大大减少了无人机停机时间。
- 延长操作时间：充电时间和电池队列旋转时间设计为使小型无人机（8-10分钟耐力）在返回充电站时接收完全充电的电池; 实现兼容UAV的任意时长的操作。
- 动力功率的中断：在交换过程期间，UAV通过一对伺服臂被提供岸电力，使得无人机在电池交换期间被连续地供电。该属性对于具有带易失性内存的机载计算机的无人机至关重要。
- 占地面积小：系统的整体机械和电子设计涉及一种紧凑的双旋转鼓结构，用于存储正在充电的电池。此功能简化了交换过程，并减少了充电站的占用空间。
本文介绍了两个飞行试验实验。第III-C节中描述的第一个是5小时长的实验，其被进行以建立所提出的设计的可行性以维持长时间操作。第二部分，在第四部分中描述，突出了充电站通过飞行验证的综合规划和学习算法为持续搜索和轨道（PST）任务启用的研究能力。这些算法的一个关键特性是他们能够学习动力部分健康的概率模型，并相应地重新配置，以最小化不必要的无人机充电行为[14]，[15]。
第二节和第三节详细说明充电站的设计和开发。第四部分介绍了PST任务的制定和规划学习算法的简要描述。第IV-B节介绍了在具有超过100个电池交换的3小时飞行测试期间在集中式PST任务上的自动电池管理平台的验证。
第二节：自动电池管理系统的概念设计
充电站概述
图1示出了用于自动电池再充电系统的完整平台。该站具有中央堆叠（在电路板后面），其容纳马达以转动两个电池卷筒并支撑顶部安装的着陆垫。堆叠两侧的两个滚筒围绕水平轴在任一方向上旋转。每个鼓包括四个电池槽，每个电池槽可以携带和再充电一个电池。电池的充电器位于每个鼓的前端。
图。1。
充电站设计使小型无人机的持续飞行。左：操作充电站及其组件。右图：充电站的CAD图的分解图仅为了简化示出左鼓，所有尺寸以毫米为单位。
在操作中，用电池接收器和托架修改的UAV降落在着陆垫上并且用将臂电力运送到UAV的两个臂牢固地锁定。使用步进电机旋转鼓以使适当的电池槽围绕轴（如图1所示）对准。然后使用线性交换运动用新充电的电池换出UAV上的电池。旧电池被放置在相对鼓上的空舱中。然后，开始对该电池的充电，直到需要该电池（在给定电流系统的情况下约为1hlater）。由于所有步骤都是自动的，该平台提供了自动更换和充电电池而不需要操作人员干预的能力。
托架和接收器设计是交换机构的一个组成部分，相关的设计过程在第III-B节中提供。请注意，整个设计的基本思想是创建一个电池交换过程，其中一个线性运动执行删除旧电池和更换新电池的步骤。这与可能涉及多个步骤的其他选项相反，例如将旧电池移入空的托架，将新托架与完全充电的电池对准，然后插入新电池。这可能是人类可能如何更换典型设备中的电池，但是它涉及使整个过程复杂化的多个灵巧步骤。这里采用的替代方法是对准三个间隔（例如，右侧的空舱，中间的动力部分，和在左侧保持充好电的电池的隔间，参见图1。2）。对齐的托架现在提供了从设备上的最左侧到最右侧的几乎连续的T形轨道支撑，其间具有小间隙。注意，T形导轨的两端是倾斜的，以便于从一个导轨支撑件到另一个导轨支撑件的跨越间隙的过渡，这简化了到新的导轨支撑件中的插入，然后T形导轨可以在其移动时强制正确的对准。
图。2。
在充电站和四旋翼飞行器之间进行电池更换的步骤。（a）着陆后，四旋翼飞行器锁定到着陆台并提供岸电。（b）四旋翼飞行器中耗尽的电池被推入空位。（c）将新鲜电池拉入四旋翼飞行器下方的电池托架中。（d）释放锁定臂，四旋翼飞行器准备起飞。磁鼓旋转以对齐下一个可用电池。
在图5中逐步显示电池交换处理。2。充电站的视频和第四节中提出的实验可在[33]中找到。以下部分提供主充电站组件的设计和开发过程。
B.充电速率和电池数量选择
概念设计由考虑影响期望的任务剖面的若干参数的需求分析出现。这些包括电池充电速率，UAV数量和每个站点的电池数量。通过使用UAV上的3节1350mAh电池的几个硬件实验来估计从限定的低电平到完全充电电平的平均电池充电时间。在飞行期间UAV上的放电电池的记录电压的代表图示于图3中。3。当电池达到10.5V的预定低值（或当UAV关闭时为11.2V）时，称为完全放电。
图。3。飞行期间电池电压的放电。
图。4在充电过程中单个电池的电压的离散样本。
图4示出了代表性充电过程期间的电池电压随时间的变化。电池在恒定电流阶段充电t=0 min t=25 min标记，然后进入恒压阶段 t=25 min t=50min标记。平均来说，发现将电池从低（11.2V）充电至完全充电（12.6V）水平需要52.0分钟（参见图5）。充电时间的变化来自于这样的事实，即电池具有不同的使用模式 - 一些被充电循环，或者被放电到比它们更安全的水平以下。
图。5。32节电池的电池充电时间直方图（平均值为52.0分钟）。
以下使用Petri分析方法[29]系统地选择设计参数。Petri分析涉及将电池充电和飞行过程建模为二分图，并且图上的循环分析提供了持久性操作所需的电池数量[29]。主要要求是，充电站应设计成支持一个UAV用于任意长的任务。然而，我们的典型多客机任务具有至少三个UAV，因此为了提供持续存在，至少一个无人机需要始终处于空中。
让 NUAV 是UAV的数量， TI 是每个周期的每个UAV的空闲时间， TF 每个周期的飞行时间， TC 是充电时间， NBATT 是站中电池的总数，是否已充电或正在充电，以及 TR是UAV在站中花费的时间量。这里，每个周期指的是在起飞之前在UAV上的死电池被充电和交换的事件。
现在，定义 TLUAV 作为UAV飞行，每个UAV的空闲和站时间的总和， TLUAV=(TF TR TI)/NUAV。让，TLPLAT 是UAV在每个站处花费的时间量除以站的数量TLPLAT=TR/NP。定义NCGR=NBATTminus;NUAV， 和 TLBATT=(TC TR)/NCGR,TLCGR=TC/NCGR。系统的平均最小周期时间，TCYC，可以计算如下， TCYC=max(TLUAV,TLPLAT,TLBATT,TLCGR).
最后，系统的可持续性 CSYS 可以通过将飞行时间除以最小周期时间来获得
CSYS=TF/TCYC.(1)
注意，如果 CSYSgt;1，那么无人机可以无限期地继续任务。为了实现完全持续
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