CN107219757A - 一种电动系留多旋翼冗余动力系统结构和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实现电动系留多旋翼动力系统的真正双余度冗余,每个机臂上安装两套动力系统，故障检测和切换由独立的冗余控制器自动完成，对自驾控制来说完全透明；同时冗余控制器还有一个模式选择PWM输入信号线，可实现这两套动力系统同时以不同的功率工作而总体效果上与其中一个单独工作相同，而两套动力系统所分配的功率比例是可以通过遥控接收机或自驾提供一路PWM信号控制，可通过地面遥控器手动切换使用哪套动力系统或两套动力系统各以多大的功率比例运行，从而实现用遥控器主动控制一些电机轮班休息以降低电机磨损和发热，也可以将冗余控制器切换到自动轮班模式，让其自动定时控制两套动力系统按一定时间周期轮流工作。

Description

一种电动系留多旋翼冗余动力系统结构和控制方法
技术领域
本发明属电动多旋翼无人机技术领域，特别是涉及一种电动系留多旋翼冗余动力系统结构和控制方法。
背景技术
电动力多旋翼无人机的动力系统目前基本都采用无传感器无刷直流电机直接驱动旋翼，具有结构简单重量轻成本低等众多优点，但另一方面，因为此类无刷电机转速非常高，又是直接风冷散热，轴承温度高磨损快，绕组绝缘老化也不容忽视，造成电机使用寿命较短，并且很容易发生在空中飞行中的突然失效，另外其电子换向控制器即电调也是在实际使用中经常发生突然失效故障的部件，旋翼也经常发生在飞行中由于疲劳或外界撞击突然断裂的事故，据统计这三类偶发故障造成的坠机事故占全部坠机事故原因的70%以上。特别是针对长时间不间断飞行的系留多旋翼，因为其连续空中飞行时间一般为几十甚至几百小时，相比动力系统的平均无故障时间来说已经不是很小了，因此这种常规动力系统在系留多旋翼实际应用中有必要进行冗余设计。
针对上述问题，目前一般采用六旋翼以上的多旋翼设计，使用自动驾驶仪直接控制每一个电机的电调，按自驾内的冗余算法，在检测到某个电机或旋翼失效后进行整个飞行器控制算法的重构。这种方法虽然能够实现一定程度上的动力冗余设计，提高飞行器的安全系数，但控制相对较复杂，需要自驾算法上的支持，而一般的非专用自驾支持这类算法的并不多，而且对于超长飞行时间的系留多旋翼也很难做到主动控制一些电机轮班休息以降低电机磨损和发热。
发明内容
针对背景技术中的不足和问题，本发明公开了一种电动系留多旋翼冗余动力系统结构和控制方法。
本发明采用每个机臂上都安装两套旋翼、电机和电调的方法，实现动力系统的真正双余度冗余，这两套动力系统工作时旋翼旋转方向一致，因此反扭力矩的方向也一致，它们在多旋翼中产生的升力和反扭力矩可以相互替代冗余备份，但与传统技术不同的创新点是，这两套动力系统的故障检测和切换是由独立的冗余控制器自动完成，可以对自驾控制来说完全透明；同时这冗余控制器还有一个模式选择PWM输入信号线，可以实现这两套动力系统同时以不同的功率工作而总体效果上与其中一个单独工作相同，而两套动力系统所分配的功率比例是可以通过遥控接收机或自驾提供一路PWM信号，接入模式选择PWM输入信号线进行控制。这样，本发明不但实现了不用专用自驾就可以实现故障时动力系统的自动冗余切换，也可以通过地面遥控器手动切换使用哪套动力系统或两套动力系统各以多大的功率比例运行，从而实现用遥控器主动控制一些电机轮班休息以降低电机磨损和发热，也可以将冗余控制器切换到自动轮班模式，让其自动定时控制两套动力系统按一定时间周期轮流工作，而这种切换和切换中的过渡过程对自驾来说是完全透明的；当然，模式选择PWM输入信号线也可以与自驾的一路任务控制输出连接，从而用地面站对动力冗余模式进行控制，或自驾内部扩展一些算法完成对动力冗余更高一层次的调控。
下面详细说明本发明的系统结构和控制方法：
附图说明：
图1为所述电动系留多旋翼冗余动力系统结构示意图，其中图1中各标号所对应部件说明如下：
101第一螺旋桨； 102第一电机； 103第一电机驱动电缆；
104第一电调； 105第一供电输出电缆； 106第一PWM输出信号线；
201第二螺旋桨； 202第二电机； 203第二电机驱动电缆；
204第二电调； 205第二供电输出电缆； 206第二PWM输出信号线；
300冗余控制器； 301微处理器电路； 302板载电源；
303第一电流传感器； 304第二电流传感器； 305供电输入电缆；
306动力控制PWM输入信号线；
307模式选择PWM输入信号线；
308故障报警输出信号线。
图2为第一种实施方案的电机和桨安装示意图，其中图2中各标号所对应部件说明如下：
101第一螺旋桨； 102第一电机； 201第二螺旋桨；
202第二电机； 100单杆机臂。
图3为第二种实施方案的电机和桨安装示意图，其中图3中各标号所对应部件说明如下：
101第一螺旋桨； 102第一电机； 201第二螺旋桨；
202第二电机； 200双杆机臂。
下面对照附图详述电动多旋翼冗余动力及控制系统的组成和各部件间连接关系：
下边所述的电缆，是指供电或驱动用的一束导线，电机驱动线是三根导线，而电源电缆是包括供电线和地两根导线；
下边所述的信号线，也是指传递所述信号的导线和相应的参考地导线的两根导线；
参照图1，所述电动系留多旋翼冗余动力系统，包括冗余控制器300、第一电调104、第一电机102、第一螺旋桨101、第一电机驱动电缆103、第二电调204、第二电机202、第二螺旋桨201、第二电机驱动电缆203；
所述冗余控制器300，包括微处理器电路301、板载电源302、第一电流传感器303、第二电流传感器304；
所述冗余控制器300，还包括以下对外连接电缆及接插件：供电输入电缆305、第一供电输出电缆105、第二供电输出电缆205、第一PWM输出信号线106、第二PWM输出信号线206、动力控制PWM输入信号线306、模式选择PWM输入信号线307、故障报警输出信号线308。
其中，在所述冗余控制器300内部：
所述微处理器电路301是一个以通用微处理器芯片及其外围电路组成的嵌入式控制电路；
它有两路具有PWM信号输出能力的输出端口，分别连接第一PWM输出信号线106和第二PWM输出信号线206，输出经微处理器根据冗余控制算法重新生成的分别控制两个电调的输出信号；
它还有两路具有检测PWM输入信号脉宽和频率能力的输入端口，其中一路还复用异步串口输出功能，它连接动力控制PWM输入信号线306作为系统控制量PWM信号的输入，或在参数设置模式下切换为串口输出用来发送参数反馈信息，另一路输入端接有上拉电阻，它连接模式选择PWM输入信号线307用于选择控制系统的工作模式；
它还有两路与所选电流传感器接口相匹配的输入端口，分别连接第一电流传感器303和第二电流传感器304，用于采集这两路电流传感器的输出信号；
它还有一路集电极开路的输出端口，同时复用异步串口输入功能，它连接故障报警输出信号线308，用于输出动力故障报警信号，或在参数设置模式下切换为串口输入用来接收参数输入信息；
它还有一路A/D输入端口，与采集系统供电输入电压的电路相连接，并将采集结果输入到微处理器。
所述的第一电流传感器303和第二电流传感器304，是一种具有隔离输出能与微处理器接口的直流电流传感器，用于分别实时采集两路动力系统的工作电流；
所述板载电源302包括一个多路输出的DC/DC稳压电路，其输入端并接在供电输入电缆305上，其一路输出提供适合微处理器电路301工作所需电压，为其及外围电路供电；另几路输出提供适合所述电流传感器工作所需的电压，为传感器供电。
所述第一供电输出电缆105通过第一电流传感器303并接到供电输入电缆305，所述第二供电输出电缆205通过第二电流传感器304并接到供电输入电缆305。
所述的第一螺旋桨101安装在第一电机102上，第一电机102通过第一电机驱动电缆103连接第一电调104的输出，第一电调104的供电输入端连接冗余控制器300的第一供电输出电缆105，第一电调104的PWM控制输入端连接第一PWM输出信号线106；
所述的第二螺旋桨201安装在第二电机202上，第二电机202通过第二电机驱动电缆203连接第二电调204的输出，第二电调204的供电输入端连接冗余控制器300的第二供电输出电缆205，第二电调204的PWM控制输入端连接第二PWM输出信号线206；
所述的第一螺旋桨101和第二螺旋桨201，工作时旋转方向一致，因此反扭力矩的方向也一致，它们在多旋翼中产生的升力和反扭力矩可以相互替代，也可以在冗余控制器300的控制下实现两个电机同时以不同功率工作而保持两个旋翼所产生的升力和反扭力总体效果上与其中一个单独工作相同，这就是我们想要的冗余效果。
参照图2，这是第一种电机和桨的安装方案：第一电机102和第二电机202底部相对对称的安装在单杆机臂100的一端，两个电机的轴线相平行且都与单杆机臂100相垂直，第一螺旋桨101和第二螺旋桨201同为正桨或同为反桨，使上下两个桨的旋转方向相同，因此两个电机的旋转方向将相反；
参照图3，这是第二种电机和桨的安装方案：其中双杆机臂200呈对称的上下双杆结构，第一电机102安装在双杆的上杆上，使第一螺旋桨101产生的升力垂直向上，第二电机202安装在双杆的下杆上，使第二螺旋桨201产生的升力垂直向上，而第一螺旋桨101和第二螺旋桨201同为正桨或同为反桨，使上下两个桨的旋转方向相同，因此两个电机的旋转方向将相同；
当然，除了图2和图3的电机和桨的安装实施方案，还有其他的各种能够达到冗余效果的安装方法，比如共轴双桨排列，或者使用不同大小的桨和不同型号电机的不对称排列等，实施者可根据需要举一反三。
具体实施方案：
按以上所述结构的电动系留多旋翼冗余动力系统，其实现控制方法是：
所述微处理器电路301，在其CPU芯片内部FLASH存储器内固化有冗余控制器程序代码，在此程序代码控制下，微处理器电路301可实现如下功能：
一、模式选择信号的输入：通过连接模式选择PWM输入信号线307 的端口，实时采集输入的PWM信号的的有无和脉冲宽度Tk，并根据采集结果切换冗余控制器300为下述工作模式之一：
有PWM脉冲且Tk<TkL，进入第一动力模式；
有PWM脉冲且Tk>TkH，进入第二动力模式；
有PWM脉冲且Tk在TkL到TkH之间，进入混合动力模式；
无PWM脉冲且端口为恒低电平，进入参数设置模式；
无PWM脉冲且端口为恒高电平，进入自动巡回模式；
其中，TkL和TkH是可以通过参数设置模式设置的系统参数，TkL<TkH, 默认值TkL=600微秒，TkH=1400微秒；
二、动力控制信号的输入：通过连接动力控制PWM输入信号线306 的端口，实时采集输入的PWM信号的脉冲宽度Td，并根据Td按一定函数公式或查表取得归一化的总油门输出量Fd，Fd的值为0%到100%；
三、动力系统电机电流的采集和故障的判断：在非参数设置模式下，通过连接第一电流传感器303和连接第二电流传感器304的A/D端口，实时采集两套动力系统电机的工作电流，并结合当时的各路控制输出信号对应的经验值预测电流，判断各路动力系统是否正常工作，如发现第一路动力系统工作不正常，就立即切换进入第二动力模式，反之如发现第二路动力系统工作不正常，就立即切换进入第一动力模式；两路动力系统都正常时故障报警输出信号线308输出高电平，反之当任意一路动力系统工作不正常时输出低电平；
四、冗余动力控制算法的实现：冗余控制器300在不同的工作模式下，采用不同的控制算法分别计算两路动力系统的油门输出量，具体是：
第一动力模式：第一动力系统油门输出量F1=Fd,第二动力系统油门输出量F2=0；
第二动力模式：第一动力系统油门输出量F1=0,第二动力系统油门输出量F2=Fd；
混合动力模式：第一动力系统油门输出量F1=Fd*((Tk-TkL)/(TkH-TkL)); 第二动力系统油门输出量F2=Fd-F1;
参数设置模式；这是用来进行系统参数设置、调试测试用的特殊模式，进入这个模式后，动力控制PWM输入信号线306切换为串口输出，故障报警输出信号线308切换为串口输入，微处理器电路301使用这对串口线与电脑联机按既定通信协议交换数据信息，完成参数数据的读写、校验和系统调试等功能；在参数读写、修改校验时，两个动力系统的输出都关闭，即F1=0，F2=0； 在系统调试(例如进行动力系统电调校准)时，动力系统油门输出量按调试功能要求直接输出；
自动巡回模式：在此模式下，微处理器电路301依据内部定时器定时，按既定的时间周期依次循环执行第一动力模式、混合动力模式、第二动力模式、混合动力模式的控制算法，并在混合动力模式中连续平滑的改变Tk，即减小上一动力模式对应油门输出量，加大下一动力模式对应油门输出量，从而完成这两种动力模式的平滑过渡；执行第一动力模式、第二动力模式和中间的混合动力模式的持续时间作为系统配置参数，可以在参数设置模式中预先设定；
五、冗余动力控制信号的输出：把上述计算好的对应第一动力系统油门输出量F1和第二动力系统油门输出量F2，结合系统中设定的第一电调和第二电调控制脉冲的最小、最大值，以及电调的油门曲线等参数，计算出第一电调PWM控制脉宽，并将其输出到连接第一PWM输出信号线106的端口，计算出第二电调PWM控制脉宽，并将其输出到连接第二PWM输出信号线206的端口；
从以上实施方法可以看出，本发明的本质是提供了一种电动系留多旋翼冗余动力系统的组成结构，而不局限动力系统所选旋翼、电机和电调的具体型号，同时也提供了针对所述系统结构的具体控制方法，而不局限所选的微处理器和传感器等元器件具体型号，为了引导本领域技术人员更快速有效的实施本发明，下面列举一个发明实者在对此发明实验测试时的一个元器件选型参考：
第一螺旋桨101和第二螺旋桨201，选用1555的蝶形碳纤桨；
第一电机102和第二电机202，选用型号CrazyMotor 3508 KV400 的航模电机；
第一电调104和第二电调204，选用一定制款的OPTO Mini 30A电调，支持2-6S供电；
第一电流传感器303和第二电流传感器304，选用型号为ACS712ELCTR-30A 的霍尔电流传感器芯片及配套的外围电路；
板载电源302，选用一片基于TPS5430芯片及外围电路的DC/DC变换电路，从输入的22.2V直流电降压输出一路5V直流供电流传感器使用，同时再通过一片3.3V稳压的LDO为微处理器电路供电；
微处理器电路301，选用NXP公司生产的LPC824M201JHI33，它有32k片上可编程FLASH，其中24k用来存储控制代码，8k用来存储参数数据；使用其片内12位A/D的3路分时输入端口实现电流传感器和供电电压采集的接口，使用片内SCTimer输入实现两路PWM脉宽信号的采集判别，使用片内SCTimer输出实现两路PWM脉宽调制输出，使用一路GPIO实现故障报警信号的电平输出，使用片内一个USART实现参数设置模式下的串口功能；这个CPU芯片内置管腿配置开关矩阵，可以方便灵活的选择芯片各外设所对应的管脚，利用这个机制可以很容易的实现在参数设置模式和其他模式下动力控制PWM输入信号线和306故障报警输出信号线308的功能切换。
上面详细讲解了多旋翼一个机臂的冗余动力及控制系统结构和控制方法，对于多旋翼整体而言，每个机臂在结构上是相同的，每个机臂上的冗余控制器300上的模式选择PWM输入信号线307可以并接在一起，用来自遥控接收机或自驾的同一路信号整体统一控制，也可以分组几路并接分别控制；同样，每个机臂上的故障报警输出信号线308也可以并接在一起产生一个总的故障报警输出，也可以分组并接产生各组的故障报警输出；由此也可以看出，本发明在具体实施中具有很强的系统配置灵活性和对机臂机架等机械结构的适应性。

Claims (5)

1.一种电动系留多旋翼冗余动力系统结构，其特征在于：
所述电动系留多旋翼冗余动力系统，包括冗余控制器(300)、第一电调(104)、第一电机(102)、第一螺旋桨(101)、第一电机驱动电缆(103)、第二电调(204)、第二电机(202)、第二螺旋桨(201)、第二电机驱动电缆(203)；
所述冗余控制器(300)，包括微处理器电路(301)、板载电源(302)、第一电流传感器(303)、第二电流传感器(304)；
所述冗余控制器(300)，还包括以下对外连接电缆及接插件：供电输入电缆(305)、第一供电输出电缆(105)、第二供电输出电缆(205)、第一PWM输出信号线(106)、第二PWM输出信号线(206)、动力控制PWM输入信号线(306)、模式选择PWM输入信号线(307)、故障报警输出信号线(308)；
所述的第一螺旋桨(101)安装在第一电机(102)上，第一电机(102)通过第一电机驱动电缆(103)连接第一电调(104)的输出，第一电调(104)的供电输入端连接冗余控制器(300)的第一供电输出电缆(105)，第一电调(104)的PWM控制输入端连接第一PWM输出信号线(106)；
所述的第二螺旋桨(201)安装在第二电机(202)上，第二电机(202)通过第二电机驱动电缆(203)连接第二电调(204)的输出，第二电调(204)的供电输入端连接冗余控制器(300)的第二供电输出电缆(205)，第二电调(204)的PWM控制输入端连接第二PWM输出信号线(206)；
所述的第一螺旋桨(101)和第二螺旋桨(201)，工作时旋转方向一致，因此反扭力矩的方向也一致，它们在多旋翼中产生的升力和反扭力矩可以相互替代，也可以在冗余控制器(300)的控制下实现两个电机同时以不同功率工作而保持两个旋翼所产生的升力和反扭力总体效果上与其中一个单独工作相同。
2.根据权利要求1所述的电动系留多旋翼冗余动力系统结构，其特征在于：
在所述冗余控制器(300)内部：
所述微处理器电路(301)是一个以通用微处理器芯片及其外围电路组成的嵌入式控制电路；
它有两路具有PWM信号输出能力的输出端口，分别连接第一PWM输出信号线(106)和第二PWM输出信号线(206)，输出经微处理器根据冗余控制算法重新生成的分别控制两个电调的输出信号；
它还有两路具有检测PWM输入信号脉宽和频率能力的输入端口，其中一路还复用异步串口输出功能，它连接动力控制PWM输入信号线(306)作为系统控制量PWM信号的输入，或在参数设置模式下切换为串口输出用来发送参数反馈信息，另一路输入端接有上拉电阻，它连接模式选择PWM输入信号线(307)用于选择控制系统的工作模式；
它还有两路与所选电流传感器接口相匹配的输入端口，分别连接第一电流传感器(303)和第二电流传感器(304)，用于采集这两路电流传感器的输出信号；
它还有一路集电极开路的输出端口，同时复用异步串口输入功能，它连接故障报警输出信号线(308)，用于输出动力故障报警信号，或在参数设置模式下切换为串口输入用来接收参数输入信息；
它还有一路A/D输入端口，与采集系统供电输入电压的电路相连接，并将采集结果输入到微处理器；
所述的第一电流传感器(303)和第二电流传感器(304)，是一种具有隔离输出能与微处理器接口的直流电流传感器，用于分别实时采集两路动力系统的工作电流；
所述板载电源(302)包括一个多路输出的DC/DC稳压电路，其输入端并接在供电输入电缆(305)上，其一路输出提供适合微处理器电路(301)工作所需电压，为其及外围电路供电；另几路输出提供适合所述电流传感器工作所需的电压，为传感器供电；
所述第一供电输出电缆(105)通过第一电流传感器(303)并接到供电输入电缆(305)，所述第二供电输出电缆(205)通过第二电流传感器(304)并接到供电输入电缆(305)。
3.根据权利要求1或2所述的电动系留多旋翼冗余动力系统结构，其特征在于：
其中一种电机和螺旋桨的安装方案是：
第一电机(102)和第二电机(202)底部相对对称的安装在单杆机臂(100)的一端，两个电机的轴线相平行且都与单杆机臂(100)相垂直，第一螺旋桨(101)和第二螺旋桨(201)同为正桨或同为反桨，使上下两个桨的旋转方向相同，因此两个电机的旋转方向将相反。
4.根据权利要求1或2所述的电动系留多旋翼冗余动力系统结构，其特征在于：
其中一种电机和螺旋桨的安装方案是：
双杆机臂(200)呈对称的上下双杆结构，第一电机(102)安装在双杆的上杆上，使第一螺旋桨(101)产生的升力垂直向上，第二电机(202)安装在双杆的下杆上，使第二螺旋桨(201)产生的升力垂直向上，而第一螺旋桨(101)和第二螺旋桨(201)同为正桨或同为反桨，使上下两个桨的旋转方向相同，因此两个电机的旋转方向将相同。
5.一种电动系留多旋翼冗余动力系统控制方法，其特征在于：
所述微处理器电路(301)，在其CPU芯片内部FLASH存储器内固化有冗余控制器程序代码，在此程序代码控制下，微处理器电路(301)可实现如下功能：
一、模式选择信号的输入：通过连接模式选择PWM输入信号线(307)的端口，实时采集输入的PWM信号的的有无和脉冲宽度Tk，并根据采集结果切换冗余控制器(300)为下述工作模式之一：
有PWM脉冲且Tk<TkL，进入第一动力模式；
有PWM脉冲且Tk>TkH，进入第二动力模式；
有PWM脉冲且Tk在TkL到TkH之间，进入混合动力模式；
无PWM脉冲且端口为恒低电平，进入参数设置模式；
无PWM脉冲且端口为恒高电平，进入自动巡回模式；
其中，TkL和TkH是可以通过参数设置模式设置的系统参数，TkL<TkH；
二、动力控制信号的输入：通过连接动力控制PWM输入信号线(306)的端口，实时采集输入的PWM信号的脉冲宽度Td，并根据Td按一定函数公式或查表取得归一化的总油门输出量Fd，Fd的值为0%到100%；
三、动力系统电机电流的采集和故障的判断：在非参数设置模式下，通过连接第一电流传感器(303)和连接第二电流传感器(304)的端口，实时采集两套动力系统电机的工作电流，并结合当时的各路控制输出信号对应的经验值预测电流，判断各路动力系统是否正常工作；
如发现第一路动力系统工作不正常，就立即切换进入第二动力模式，反之如发现第二路动力系统工作不正常，就立即切换进入第一动力模式；
两路动力系统都正常时故障报警输出信号线(308)输出高电平，反之当任意一路动力系统工作不正常时输出低电平；
四、冗余动力控制算法的实现：冗余控制器(300)在不同的工作模式下，采用不同的控制算法分别计算两路动力系统的油门输出量，具体是：
第一动力模式：第一动力系统油门输出量F1=Fd,第二动力系统油门输出量F2=0；
第二动力模式：第一动力系统油门输出量F1=0,第二动力系统油门输出量F2=Fd；
混合动力模式：第一动力系统油门输出量F1=Fd*((Tk-TkL)/(TkH-TkL));第二动力系统油门输出量F2=Fd-F1；
参数设置模式；这是用来进行系统参数设置、调试测试用的特殊模式，进入这个模式后，动力控制PWM输入信号线(306)切换为串口输出，故障报警输出信号线(308)切换为串口输入，微处理器电路(301)使用这对串口线与电脑联机按既定通信协议交换数据信息，完成参数数据的读写、校验和系统调试等功能；
在参数读写、修改校验时，两个动力系统的输出都关闭，即F1=0，F2=0；在系统调试(例如进行动力系统电调校准)时，动力系统油门输出量按调试功能要求直接输出；
自动巡回模式：在此模式下，微处理器电路(301)依据内部定时器定时，按既定的时间周期依次循环执行第一动力模式、混合动力模式、第二动力模式、混合动力模式的控制算法，并在混合动力模式中连续平滑的改变Tk，即减小上一动力模式对应油门输出量，加大下一动力模式对应油门输出量，从而完成这两种动力模式的平滑过渡；
执行第一动力模式、第二动力模式和中间的混合动力模式的持续时间作为系统配置参数，可以在参数设置模式中预先设定；
五、冗余动力控制信号的输出：把上述计算好的对应第一动力系统油门输出量F1和第二动力系统油门输出量F2，结合系统中设定的第一电调和第二电调控制脉冲的最小、最大值，以及电调的油门曲线等参数，计算出第一电调PWM控制脉宽，并将其输出到连接第一PWM输出信号线(106)的端口，计算出第二电调PWM控制脉宽，并将其输出到连接第二PWM输出信号线(206)的端口。
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