基于综合环境能量采集的自供电飞行器无线传感器

发布时间：2017-08-08 05:00

  本文关键词：基于综合环境能量采集的自供电飞行器无线传感器

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【摘要】：飞行器的工作环境既恶劣又复杂,如果不能对飞行器工作情况进行实时的监测和控制,将会严重威胁到飞行安全。分布式无线传感器网络(WSN)常用于结构的在线监测,但是其供电多采用干电池,无法保证传感器节点长期工作。节点的供电问题已经成为无线传感网络技术发展的主要瓶颈,能量供给技术已经成为该技术的核心课题之一。论文在对飞行器典型环境进行调研的基础上,分析了飞行器工作过程中振动能和温差能的分布和特点;然后,确定了综合能量采集的热-电、机-电转换方案,研究了它们的输出特性;提出了针对温差发电装置(TEG)的最大功率点跟踪(MPPT)方案。该方案使用脉宽调制技术(PWM)控制Buck-Boost电路产生无功率消耗的虚拟阻抗匹配内阻,实现最大功率跟踪;提出了适用于无线节点功率的低功耗测量方案;为解决压电材料输出电压远低于热电材料的问题,本文提出了基于同步电荷提取方法的升压采集方案。该方案运用模拟开关技术降低控制系统的功耗,在升压的同时不影响压电材料的输出功率。本文设计了综合能量存储稳压模块,保证在不同环境能量以及不同工作状态下能量收集模块均可以向储存能量的超级电容充电。在此基础上提出了一种工作在系统掉电模式下的启动电路,在单片机上电后打开高效能量收集通道,自动关闭启动通道。最后,制作了无线传感器样机,并对样机进行了测试;实验结果表明本文提出的控制方案可以有效的提高能量收集的效率和输出的电功率,并且可以在实验室条件下实现自供电稳定工作。
【关键词】：飞行器 环境能量收集 自供电 最大功率点跟踪 压电升压 综合储能
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V243;TP212.9
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 研究背景及意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-20
• 1.2.1 温差发电技术15-16
• 1.2.2 压电发电技术16-18
• 1.2.3 混合能源采集供电系统18-19
• 1.2.4 环境能量采集技术供电的传感器节点19-20
• 1.3 本文的研究内容20-22
• 第二章 飞行器可采集能量分布及可行能量转换方案分析22-38
• 2.1 飞行器典型环境下的振动特性22-23
• 2.2 飞行器典型环境下的热能分布23-24
• 2.3 机—电能量转换方案24-29
• 2.3.1 压电发电技术24-26
• 2.3.2 压电片安装方式26-28
• 2.3.3 机—电能量换能结构及输出特性28-29
• 2.4 热—电能量转换方案29-37
• 2.4.1 温差发电技术29-30
• 2.4.2 温差发电片安装方式30-31
• 2.4.3 热—电能量转换器件及输出特性31-32
• 2.4.4 温差发电装置仿真分析32-37
• 2.5 本章小结37-38
• 第三章 充电控制方案及其电路38-51
• 3.1 TEG自适应阻抗匹配收集电路38-45
• 3.1.1 典型DC/DC变换电路38-40
• 3.1.2 电路分析40-42
• 3.1.3 最大功率点42-43
• 3.1.4 最大功率点跟踪方案43-45
• 3.1.4.1 控制算法设计43-45
• 3.1.4.2 控制电路45
• 3.2 压电能量升压收集电路45-50
• 3.2.1 压电能量收集电路46-48
• 3.2.2 基于同步电荷提取的升压电路实现48-50
• 3.3 本章小结50-51
• 第四章 综合充电及低功耗控制方案51-65
• 4.1 MSP430单片机选型51-52
• 4.2 自供电飞行器无线传感器总体方案52-58
• 4.2.1 控制模块设计53-55
• 4.2.2 自启动通道设计55-56
• 4.2.3 综合储能稳压模块设计56-58
• 4.3 系统低功耗模式及控制方案58-63
• 4.3.1 MSP430、AS12低功耗模式58-59
• 4.3.2 低功耗控制方案59-63
• 4.4 本章小结63-65
• 第五章 自供电飞行器无线传感器设计、制作及性能测试65-76
• 5.1 试验系统的搭建65-68
• 5.1.1 自供电飞行器无线传感器样件制作65-66
• 5.1.2 能量转换装置的制作66-67
• 5.1.3 实验系统构成67-68
• 5.2 热电能量收集通道性能测试68-72
• 5.2.1 基于Buck-Boost电路的阻抗匹配电路测试69-71
• 5.2.2 MPPT算法参数预设与电路测试71-72
• 5.3 压电能量收集通道性能测试72-74
• 5.3.1 同步电荷提取电路测试72-73
• 5.3.2 压电能量收集输出测试73-74
• 5.4 综合能量采集自供电工作测试74-75
• 5.5 本章小结75-76
• 第六章 总结与展望76-78
• 6.1 主要内容及结论76-77
• 6.2 未来工作展望77-78
• 参考文献78-82
• 致谢82-83
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文83

【参考文献】

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本文编号：638264