有人可能会说，1783 年蒙哥菲尔推出的热气球是第一架无人驾驶飞机。然而，没有绳索的无人驾驶热气球的飞行只能由风决定。
1892 年，托马斯-爱迪生展示了线导鱼雷，1898 年，尼古拉-特斯拉展示了他的无线电遥控船。几十年后，市场上出现了第一批遥控无人驾驶汽车和飞机。如今，应用范围从玩具到自主、制导或遥控飞行、驾驶或潜水无人驾驶车辆。
图 1：无人驾驶飞行器示例--送货机器人、多旋翼无人机、水下机器人
所有这些设备都面临一些共同的挑战。其中最重要的是安全操作，以防止与人或物体发生碰撞或失控空难。这些飞行器应该重量轻，但功能强大，能够携带尽可能多的有效载荷，并实现长时间运行。
虽然在许多情况下数量很少，但每种应用都可能需要不同配置的传感器、操纵器或监视装置。制造商可以通过使用灵活的模块化平台和现成设备来应对这一挑战，从而以低成本快速满足特定需求。
如何为这些无人驾驶飞行器提供动力？
这取决于应用和必要的运行时间。短期运行可使用电池或超级电容器，现代燃料电池可延长运行时间，长期运行可使用内燃机或通过系绳提供能量。
有了所有这些不同的参数，为这些飞行器上的电子设备供电就成为保证安全、预期运行时间和高有效载荷的关键因素。源电压各不相同，许多负载需要自己的稳定电源电压。在本文中，我们将介绍我们最近的电源模块如何实现极为灵活的电源模块化解决方案。
这些飞行器（无论是空中、地面还是水下）的机载电源结构非常相似，由电源、用于各种负载的直流-直流转换器、速度控制器和推进电机组成（图 2）。
图 2：无人飞行器基本动力架构--基本动力架构简化框图
在大多数应用中，推进电机直接由电源供电，以避免额外的转换损耗。
在许多应用中，使用电池组，必要的电压和容量取决于系统的大小和最大功率。为避免额外的转换损耗，电机通常直接由电池供电，但系统的其他部分需要稳定的电压。
对于无人驾驶飞行器，3.7V 的锂聚合物电池串联在一起，标称电压从 3s = 11.1V 到 16s = 59.2V（s = 串联电池数）不等。如需更长的飞行时间，可使用燃料电池。
现代仓储机器人，无论是自主式（无人机）还是制导式（无人搬送车），都配备了锂离子或磷酸铁锂电池，其额定电压从小型系统的 24V 左右到重载应用（如叉车）的 100V 以上不等。
什么类型的直流转换器电源解决方案适合无人机应用中的不同电源？
对于寻求灵活、模块化电源解决方案以用于不同应用的设计人员来说，这些宽电源电压是一个真正的挑战。我们针对这些要求提供了大量DC/DC 转换器产品组合，输入电压范围为 9 - 75V 和 14 - 160V，单路或双路输出电压范围为 3.3V 至 48V，功率等级为 10W 至 200W。这些产品还符合这些车辆有时在恶劣环境中工作的要求。
为了给运输货物和安全设备留出尽可能多的有效载荷和空间，所有其他组件都应尽可能轻巧小巧。使用高效、小型 DC/DC 转换器作为内部动力链的另一个原因。由于损耗越小，所需的散热片就越小，因此效率对整体重量有很大影响。使用模块而不是集中式电源解决方案的好处是，转换器及其散热可以分散在整个系统中，靠近负载，从而使热量管理更加容易。
我们的转换器体积小、重量轻，因此很容易设计出适用于各种应用中不同电源的单一解决方案。如果需要其他或额外的负载电压？非常简单，只需增加一个 DC/DC 模块，或用同系列的即插即用替代品替换一个模块，工作就完成了。
让我们来看几个例子：
现代智能工厂必须非常灵活，需要在生产或仓库设施内自主导航和运输货物的车辆。这些车辆使用激光和摄像头进行导航，并与生产系统和其他机器人直接通信。自主车辆几乎可以自由移动，而制导车辆（UGV）则遵循由视觉标记、磁带、物体识别和里程测量数据确定的预定路径。
关键的挑战在于安全运行，因为这些强大而笨重的车辆必须在任何情况下都能探测到人类工人或其他障碍物。摄像头、传感器、激光和物体识别技术的重大改进使这种自主行驶成为可能。
动力结构与图 1 类似，用于提升和移动运输货物的大功率电机通常直接由电池供电。电池充电采用有线或无线解决方案。
在图 3 所示的应用中，制造商的目标是根据必要的功率和所需的有效载荷，使用标称电压为 24V 或 48V 的电池。在自动驾驶中，车辆的车载计算机会处理来自现成摄像头和激光雷达的信息。许多工业设备已经拥有更宽的电源电压范围，但并不包括 24V 和 48V 电池。以下是一些不同激光雷达系统的示例，其功率等级从 4 W 到 10 W 不等.
因此，CPU、摄像头、激光雷达和其他 12V 设备都选择了 12V 总线，并在需要时使用小型下游转换器产生 5V 或 3.3V 电压。使用隔离式转换器是为了避免敏感传感器受到噪声干扰。
有关 12V 电压，请参阅我们的XPD150W系列；有关 5V 电压，请参阅XPDC T12-20系列/XPDC W24-24 规格书系列；有关 3.3V 直流直流转换器电源解决方案，请参阅XPDC03系列。
图 3：用于自动化工厂的无人自动驾驶车辆（驾驶仓库机器人）框图
在功率较低的应用中，如果需要短时间、间歇性运行和快速充电，超级电容器可能是一种选择。超级电容器的能量密度较低，最新技术似乎能达到与镍氢电池相似的值。超级电容器的优点是不含任何危险材料，内阻小得多，因此峰值电流比电池高。电池的使用寿命仅限于 2000 至 5000 次充电循环，而超级电容器可充电超过 100 万次而不会出现明显的衰减。超级电容器还能在非常低的温度下工作，例如在食品或冷冻货物的仓库中。
电池在放电过程中电压几乎保持恒定，而超级电容器的电压则会大幅下降。下面是一个小型机器人的示例，总耗电量为 100 瓦，两次充电之间的最长运行时间为 60 秒。
能量计算
E = P * t = 100W * 60s = 6kJ = 1.67Wh
电容器组的最大电压 48V
最低电压：12V
所需容量：
通过串联 17 个 3V/100F 超级电容器，可在 51V 最高额定电压下实现所需容量。
图 4 显示了这种超级跑车解决方案与标准 48V 电池的放电曲线。
图 4：超级电容器与电池的放电曲线对比
超级电容器组的价格肯定高于电池，但在运行过程中，超级电容器组可在几秒钟内完成充电，使机器人能够 24 小时不间断工作。考虑到使用寿命的差异和更换有缺陷电池的成本，从长远来看，超级电容器解决方案的成本更低。
需要一个能覆盖 12 V 至 48 V 宽电容器电压摆幅的转换器。没问题，我们设计有一种输入电压为 9 - 75V、输出功率为 100W 的转换器，请参考 XDDK的XDP100U系列，见图 5。
图 5：使用超级电容器电源解决方案的机器人典型电源架构
最后一个例子是无人驾驶小型直升机系统，飞行时间超过 4 小时，需要使用燃油发动机。除图 1 所示外，旋翼由发动机直接驱动，发动机还为飞行控制系统提供 28V 的典型飞机电压。直升机可配备红外/光学万向节、各种传感器、激光雷达、三维绘图和地理标记系统以及许多其他设备，这些设备需要稳定的 12V 电源电压，总功率为 170W。
所需的 28V 至 12V DC/DC 转换器必须重量轻，能在低至 -40°C 的环境温度下工作，并能承受转子带来的高冲击和振动压力。IP67 防护和完整的电磁干扰屏蔽要求整个电子设备采用密封机箱，因此需要对电源转换器进行传导冷却。
理想的解决方案是 我们200W系列的转换器（图 6）。它的工作输入电压范围为 16.5 -75 V，环境温度可低至 -40°C，金属底板可对直升机底盘进行传导冷却。由于采用了硅灌封，它可以承受 MIL 标准的冲击和振动要求。该转换器仅重 105 克，不到直升机总重量的 0.5%。它的最大功率为 212W，因此还能为额外的有效载荷或短负载峰值提供空间。
图 6：无人直升机系统的简化动力链
遥控装置可由 12V 电池或船舶或地面车辆的 28V （16 - 50V）电网供电。射频放大器需要一个强大的 28V 电源，因此选择该电压作为主总线电压。我们100U系列的 100W 转换器输入电压范围为 9V - 75V，可产生 28V 总线电压，下游低功率转换器可为遥控装置提供必要的电源电压（图 7）。
图 7：遥控装置框图
我们 的隔离和非隔离产品种类繁多，可根据负载要求产生各种电压。
有关 12V 和 5V 电压，请参阅 我们的XYD12W系列；有关 3.3V DC DC 转换器电源解决方案，请参阅DKD03系列。
每种无人机应用都可能面临不同的挑战和要求。在本文中，我们希望将范围缩小到电源链的一些关键要素上，这些要素在大多数情况下都有共同的要求：空间小、重量轻、效率高、可靠性高，但更重要的是灵活性、模块化和易用性。归根结底，设计人员需要一个有能力的合作伙伴，提供必要的产品组合，并能帮助客户找到满足其特定要求的最佳解决方案。
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