CN108791819B - 一种自动变距螺旋桨装置及其控制方法、飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动变距螺旋桨装置及其控制方法、飞行器，其中变距驱动装置通过变距结构与螺旋桨相连，通过对变距结构的操纵以实现螺旋桨的桨距调节；拉力测量模块与推进系统相连，用于测量推进系统的动态拉力；变距控制器由动态拉力和输入功率，确定实时桨效值信息，并根据螺旋桨转速，空速信息确定目标桨距范围，并根据桨效数据，利用自动寻优的方法给出一个在所述的目标桨距范围内的桨距值，螺旋桨进行变距操作。该装置能够实时计算出推进系统的桨效值，并基于桨效自动寻优匹配最佳的桨距，提高了飞行器推进系统的效率。

Description

一种自动变距螺旋桨装置及其控制方法、飞行器

技术领域

本发明涉及航空技术领域，尤其涉及一种自动变距螺旋桨装置及其控制方法、飞行器。

背景技术

在固定翼飞行器的动力系统中，螺旋桨的效率对整个动力系统的效率，起到了非常关键的作用。若采用固定螺距的螺旋桨，则面临着非设计工作点，动力系统效率较低的问题，这是因为，在不同的飞行速度，螺旋桨转速，飞行海拔，环境温度等飞行条件下，螺旋桨的效率值各不相同。传统固定螺距螺旋桨，不能够同时满足在整个飞行阶段都保持较高的螺旋桨效率。而采用变距的螺旋桨，常采用手动变距的方式，也无法很好地发挥变距桨的优势。

在螺旋桨载人飞行器领域，自动变距常采用恒速变距法，即通过改变螺旋桨的螺距值，使螺旋桨转速保持在设定的范围内。但是，恒速变距的方法主要适用于以燃油发动机为动力源的螺旋桨动力系统，因为在特定的转速下，发动机的效率最高。而对于以电动机为动力源的动力系统来说，采用恒速变距的方式则不那么适合，也无法凭此保证动力系统的高效性。

现阶段，已经出现可使用在飞行器上的动态拉力检测方案，如[一种无人机用螺旋桨动态拉力监测装置-CN201710997476],[一种机载螺旋桨拉力测量装置-CN201810727114.4], [一种无人机实时拉力检测装置及其拉力检测方法-CN201810727056.5], [一种小型无人机实时拉力检测装置及检测方法-CN201810727044.2] ，尤其是后三种方案，实际测得的拉力数据，准确性高，动态响应性能好，结构合理。

而与自动变距相关的方案，多为恒速变距的控制策略，如 [螺旋桨的伺服变距装置 - CN201410762832.7]中采用的控制方案。

另有中国航天空气动力技术研究院李广佳等发明人提出的[一种基于复合材料的自动变桨矩螺旋桨确定方法-CN201310676038]，螺旋桨采用复合材料，利用复合材料力学特性的可设计特性，设计特定角度的弹性轴，使复合材料结构在载荷作用下实现预期变形效果，实现螺旋桨 在小角度范围内的变距功能，扩展螺旋桨的运行范围。该法原理较复杂，加工要求高，实现不易。

而发明人王伟[一种自变距螺旋桨与装配该装置的飞行器 - CN201610384993.6]发明人鲍静云等人[一种自适应变距螺旋桨与飞机 - CN201620217092.3]提出的自动变距设计，虽然可以实现自动变距的自动目的，但是从其变距原理出发，不难发现，这类自动变距，其实是一种不精确的变距，只能保证动力系统的效率相较固定螺距的情况下比较。

在背景技术部分中公开的上述信息，仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的旨在至少一定程度上解决上述的技术问题之一。

为此，本发明首先提出了一种自动变距螺旋桨装置，该装置能够测量实时的推进系统的拉力值及推进系统的输入功率值，得到桨效信息，利用自动寻优的方法，自动匹配到最佳的桨距值，从而提高动力系统的效率。

本发明还提出了一种用于自动变距螺旋桨装置的控制方法、一种含有自动变距螺旋桨装置的飞行器及一种用于执行自动变距装置控制方法的飞行器。

本发明第一方面实施例提出了一种自动变距螺旋桨装置，包括：螺旋桨；变距结构，所述的变距结构与所述螺旋桨相连，所述的变距结构用于对所述的螺旋桨进行变距操作，以使所述螺旋桨通过桨距调节的方式，以桨效较高的方式工作；变距驱动装置，所述变距驱动装置与所述的变距结构相连，所述的变距驱动装置，用于通过对所述的变距结构的操纵以实现所述螺旋桨的桨距调节；电动机，所述的电动机与所述的螺旋桨相连，所述的电动机用于驱动所述的螺旋桨；电机控制器，所述的电机控制器与所述电动机相连，所述的电机控制器用于控制所述电动机的转速；拉力测量模块，所述的拉力测量模块与推进系统相连，所述的拉力测量模块用于测量推进系统的动态拉力；推进系统：包括所述螺旋桨、变距结构、变距驱动装置、电动机及电机控制器；变距控制器，所述的变距控制器分别与所述的变距驱动装置以及所述电机控制器相连，所述的变距控制器，用于获取所述拉力测量模块的动态拉力值及获取所述飞行器的推进系统功率，由动态拉力和输入功率，确定实时桨效值信息，获取所述飞行器的螺旋桨转速和空速信息，并根据螺旋桨转速，空速信息确定目标桨距范围，所述变距控制器储存不同采样点的桨效数据，并根据这些桨效数据，利用自动寻优的方法给出一个在所述的目标桨距范围内的桨距值，并将所述桨距信息发送至所述变距驱动装置，以使所述变距驱动装置根据所述桨距信息控制所述变距结构对所述螺旋桨进行变距操作。

根据本发明实施例的自动变距螺旋桨装置，通过获取推进系统的动态拉力值及输入功率值，得到桨效信息，利用自动寻优的方法，自动匹配最佳桨效的桨距值，并输出该桨距给变距控制模块，变距控制模块控制变距结构，变距结构对螺旋桨进行变桨操作，从而保证在不同的飞行状态下（尤其是飞行速度改变），动力系统都能实时追踪到较高的效率所对应的桨距值，提高了动力系统的效率。

为了提高动力系统的效率，本领域内普通技术人员，容易想到的是以螺旋桨效率 （效率）作为检测对象，并将螺旋桨最佳效率点作为自寻优目标，给出基于最 佳螺旋桨效率点追踪的自动变距方案，事实上，这种方案尚有待改进之处：

（1）对于飞行器推进系统而言，整个系统的效率，除了螺旋桨效率之外，还包括电机驱动模块转换效率，电动机工作效率，中间齿轮传递效率等中间部件的效率，由于多器件的耦合关系，电动机工作特性复杂等原因，螺旋桨效率最大处并不意味着整个推进系统的效率最大；

（2）桨轴的功率，通常采用测量转轴扭力大小及转速的方式实现，尤其是旋转轴的扭力测量，难度较大，成本较高；

（3）由于有效功率为螺旋桨拉力与飞行速度的乘积，显然，当飞行速度为0时（地面待起飞），有效功率为0，此时得到的效率值也是0，该状态下，基于最佳螺旋桨效率点追踪的自动变距方案失效，无法给出最佳桨距角的判断；

（4）空速的测量值随空速大小的影响较大，小空速情况下空速的测量误差比较大，这就导致无法测得精确的有效功率值，继而导致无法得到精确的螺旋桨效率值，而导致基于最佳螺旋桨效率点追踪的自动变距方案无法正常实现。

所以，在本发明中，以桨效（ ）作为检测对象，并以螺旋 桨最佳桨效点作为自寻优目标，给出基于最佳桨效点的自动变距方案，其技术进步之处在 于：

（1）对电功率的检测，成本更低，检测精度更高，也便于结构的简化；

（2）即使飞行速度为0，螺旋桨的拉力测量值也不为0，本方案可以给出整个飞行阶段内的最佳桨距角判断；

（3）桨效的数据，准确性及实时性均高于螺旋桨效率，保证了自寻优算法的正常实现；

（4）实时匹配的是整个推进系统的最大效率值，而不仅仅是螺旋桨的效率最大值。

在本发明的一个实施例中，所述的拉力测量模块用于获取拉力测量值、螺旋桨转 速、桨距信息（包括桨距值及桨距变化量），并根据拉力测量值，螺旋桨转速，桨距信息，通过 以下的公式来确定所述的动态拉力， ，其中，T_d为所述动态拉力信息，T_r 为动力测量模块实际检测得到的拉力值，ω为螺旋桨转速，Pit为桨距信息，所述函数通过 确定动态拉力值，T( )为动态拉力确定函数。

由于螺旋桨具有惯性，即具有保持原有转动状态的能力，在输出油门信号不变的情况下，桨距的改变导致负载改变，是会引起转速改变的，但是，由于螺旋桨惯性的存在，变距之后一小段时间内，螺旋桨的转速仍然保持在变距前的水平，这会导致拉力测量值产生误差，所述动态拉力确定函数的目的在于，对该部分引螺旋桨惯性引起的动态拉力测量误差进行修正，从而得到更加精确的动态拉力值。

在本发明的一个实施例中，所述变距控制器，通过以下公式确定所述的目标桨距 范围：目标桨距上限 ; 目标桨距下限 ;其中， Pit_high为所述目标桨距范围的上限值，Pit_low为所述目标桨距范围的下限值，ω为所述 的螺旋桨转速，V为飞行器的空速，high为一个提前设定的参数，用于确定上限值，low为一 个提前设定的参数，用于确定下限值，P（）为目标桨距确定函数。

目标桨距范围通常包含有最佳桨距值，而目标桨距范围相较桨距可移动范围也比较小，因此目标桨距范围的设置，相当于给自寻优方法提供了优选的小范围用于进一步的动态追踪，这加快了自寻优的速度及自寻优的精度，有利于提高自动变距装置的快速响应能力。

同时，目标桨距范围的设置，也可以在自寻优方法给出异常数据点时，对异常数据点进行剔除，从而提高整个自动变距装置的可靠性。

在本发明的一个实施例中，所述的变距控制器的所述自动寻优过程的方法，为：所述的变距控制器，将不同时刻的采样点的桨效数据顺次储存，基于桨效值连续，桨效最大值点桨效变化率为零的原理，实时地不断地检测本身的工作状态，对于当前桨距是否处于可能达到的最大桨效状态作出判断，根据检测和判断的信息确定桨距值；并将此桨距值与目标桨距范围进行比较，将输出的桨距值控制在目标桨距范围内。

自寻优的方案，可以在不加考虑系统间复杂耦合的情况下，动态地追踪到不同飞行状态下的最佳桨距值至桨效最大的点，适应性强，可以快速应用到不同的对象上，而无需针对应用对象进行复杂的建模。

需要说明的是，前述对自动变距螺旋桨装置的有益技术效果的解释说明，也适用于该实施例的自动变距螺旋桨装置的控制方法，其实现原理，有益的技术效果类似，在此不再赘述。

本发明第二方面实施例提出了一种自动变距螺旋桨装置的控制方法，包括以下步骤：获取所述拉力测量模块的动态拉力值及获取所述飞行器的推进系统功率，由动态拉力和输入功率，确定实时桨效值信息；获取所述飞行器的螺旋桨转速和空速信息，并根据螺旋桨转速，空速信息确定目标桨距范围；所述变距控制器储存不同采样点的桨效数据，并根据这些桨效数据，利用自动寻优的方法给出一个在所述的目标桨距范围内的桨距值；将所述桨距信息发送至所述变距驱动装置，以使所述变距驱动装置根据所述桨距信息控制所述变距结构对所述螺旋桨进行变距操作。

根据本发明实施例的用于自动变距螺旋桨装置的控制方法，通过获取推进系统的动态拉力值及输入功率值，得到桨效信息，利用自动寻优的方法，自动匹配最佳桨效的桨距值，并输出该桨距给变距控制模块，变距控制模块控制变距结构，变距结构对螺旋桨进行变桨操作，从而保证在不同的飞行状态下（尤其是飞行速度改变），动力系统都能实时追踪到较高的效率所对应的桨距值，提高了动力系统的效率。

在本发明的一个实施例中，所述的拉力测试模块，通过以下的公式来确定所述的动态拉力，T_d=T(T_r,ω,Pi)，其中，T_d为所述动态拉力信息，T_r为动力测量模块实际检测得到的拉力值，ω为螺旋桨转速，Pit为桨距信息，所述函数通过确定动态拉力值，T( )为动态拉力确定函数。

在本发明的一个实施例中，所述的变距控制器通过以下公式确定所述的目标桨距范围：目标桨距上限Pit_high=P(ω,V,high);目标桨距下限 Pit_low=P(ω,V,low);其中，Pit_high为所述目标桨距范围的上限值，Pit_low为所述目标桨距范围的下限值，ω为所述的螺旋桨转速，V为飞行器的空速，high为一个提前设定的参数，用于确定上限值，low为一个提前设定的参数，用于确定下限值，P（）为目标桨距确定函数。

在本发明的一个实施例中，所述的变距控制器的所述自动寻优过程的方法，包括：所述的变距控制器，将不同时刻的采样点的桨效数据顺次储存，基于桨效值连续，桨效最大值点桨效变化率为零的原理，实时地不断地检测本身的工作状态，对于当前桨距是否处于可能达到的最大桨效状态作出判断，根据检测和判断的信息确定桨距值；并将此桨距值与目标桨距范围进行比较，将输出的桨距值控制在目标桨距范围内。

需要说明的是，前述对自动变距螺旋桨装置的有益技术效果的解释说明，也适用于该实施例的飞行器，其实现原理，有益的技术效果类似，在此不再赘述。

本发明第三方面实施例提出了一种飞行器，包括本发明第一方面实施例的自动变距螺旋桨装置。

根据本发明实施例的飞行器，通过变距控制器获取所述拉力测量模块的动态拉力值及获取所述飞行器的推进系统功率，由动态拉力和输入功率，确定实时桨效值信息，获取所述飞行器的螺旋桨转速和空速信息，并根据螺旋桨转速，空速信息确定目标桨距范围，所述变距控制器储存不同采样点的桨效数据，并根据这些桨效数据，利用自动寻优的方法给出一个在所述的目标桨距范围内的桨距值，并将所述桨距信息发送至所述变距驱动装置，以使所述变距驱动装置根据所述桨距信息控制所述变距结构对所述螺旋桨进行变距操作，从而保证在不同的飞行状态下（尤其是飞行速度改变），动力系统都能实时追踪到较高的效率所对应的桨距值，提高了动力系统的效率。需要说明的是，前述对自动变距螺旋桨装置的有益技术效果的解释说明，也适用于该实施例的飞行器，其实现原理，有益的技术效果类似，在此不再赘述。

本发明第四方面实施例提出了另一种飞行器，所述飞行器用于执行本发明第二方面实时例的控制方法。

根据本发明实施例的飞行器，通过获取推进系统的动态拉力值及输入功率值，得到桨效信息，利用自动寻优的方法，自动匹配最佳桨效的桨距值，并输出该桨距给变距控制模块，变距控制模块控制变距结构，变距结构对螺旋桨进行变桨操作，从而保证在不同的飞行状态下（尤其是飞行速度改变），动力系统都能实时追踪到较高的效率所对应的桨距值，提高了动力系统的效率。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的自动变距螺旋桨装置的结构示意图；

图2为根据本发明一个具体实施例的自动变距螺旋桨装置的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的自动变距螺旋桨装置的控制方法的流程图；

图4为根据本发明一个实施例的自动变距螺旋桨装置与固定螺距螺旋桨装置的性能对比图，图中，41为自动变距螺旋桨装置的效率曲线；42为固定螺距螺旋桨装置的效率曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号是相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示范性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的自动距螺旋桨装置及其控制方法、飞行器。

图1为根据本发明一个实施例的自动变距螺旋桨装置的结构示意图，图2为本发明的一个具体实施例的自动变距螺旋桨装置的结构示意图。

参照图1，图2所示，该尾桨驱动系统包括：螺旋桨1、变距结构2、变距驱动装置3、电动机4、电机控制器5、变距控制器6、拉力测量模块7和推进系统10。

其中，推进系统10包括螺旋桨1、变距结构2、变距驱动装置3、电动机4和电机控制器5；变距结构2与螺旋桨1相连，变距结构2用于对螺旋桨1进行变距操作，以使螺旋桨1通过桨距调节改变螺旋桨1的拉力，变距驱动装置3与变距结构2相连，变距驱动装置用 于通过对变距结构2的操纵以实现螺旋桨1的桨距调节，电动机4与螺旋桨1相连，电动 机4用于驱动螺旋桨1，电机控制器5与电动机4相连，电机控制器5用于控制电动机4的 转速，拉力测量模块7与推进系统10相连，拉力测量模块7用于测量推进系统10的动态拉力；变距控制器6分别与变距驱动装置3以及电机控制器5相连，变距控制器6，用于获取拉力测量模块7的动态拉力值及获取飞行器的推进系统10的功率，由动态拉力和输入功率，确定实时桨效值信息，获取所述飞行器的螺旋桨1的转速和飞行器的空速信息，并根据螺旋桨1的转速，飞行器的空速信息确定目标桨距范围，变距控制器6储存不同采样点的桨效数据，并根据这些桨效数据，利用自动寻优的方法给出一个在所述的目标桨距范围内的桨距值，并将所述桨距信息发送至所述变距驱动装置3，以使变距驱动装置3根据所述桨距信息控制所述变距结构2对所述螺旋桨1进行变距操作。

根据本发明实施例的自动变距螺旋桨装置，通过获取推进系统10的动态拉力值及输入功率值，得到桨效信息，利用自动寻优的方法，自动匹配最佳桨效的桨距值，并输出该桨距给变距控制器，变距控制器控制变距结构2，变距结构2对螺旋桨1进行变桨操作，从而保证在不同的飞行状态下（尤其是飞行速度改变），动力系统都能实时追踪到较高的效率所对应的桨距值，提高了动力系统的效率。

为了提高动力系统的效率，本领域内普通技术人员，容易想到的是以螺旋桨效率 （效率 ）作为检测对象，并将螺旋桨最佳效率点作为自寻优目标，给出基于 最佳螺旋桨效率点追踪的自动变距方案，事实上，这种方案尚有待改进之处：

（1）对于飞行器推进系统10而言，整个系统的效率，除了螺旋桨效率之外，还包括电机驱动模块转换效率，电动机工作效率，中间齿轮传递效率等中间部件的效率，由于多器件的耦合关系，电动机工作特性复杂等原因，螺旋桨效率最大处并不意味着整个推进系统的效率最大；

（2）桨轴的功率，通常采用测量转轴扭力大小及转速的方式实现，尤其是旋转轴的扭力测量，难度较大，成本较高；

（3）由于有效功率为螺旋桨拉力与飞行速度的乘积，显然，当飞行速度为0时（地面待起飞），有效功率为0，此时得到的效率值也是0，该状态下，基于最佳螺旋桨效率点追踪的自动变距方案失效，无法给出最佳桨距角的判断；

（4）空速的测量值随空速大小的影响较大，小空速情况下空速的测量误差比较大，这就导致无法测得精确的有效功率值，继而导致无法得到精确的螺旋桨效率值，而导致基于最佳螺旋桨效率点追踪的自动变距方案无法正常实现。

所以，在本发明中，以桨效（ ）作为检测对象，并以螺 旋桨最佳桨效点作为自寻优目标，给出基于最佳桨效点的自动变距方案，其技术进步之处 在于：

（1）对电功率的检测，成本更低，检测精度更高，也便于结构的简化；

（2）即使飞行速度为0，螺旋桨的拉力测量值也不为0，本方案可以给出整个飞行范围内的最佳桨距角判断；

（3）桨效的数据，准确性及实时性均高于螺旋桨效率，保证了自寻优算法的正常实现；

（4）实时匹配的是整个推进系统的最大效率值，而不仅仅是螺旋桨的效率最大值。

在本发明的一个实施例中，所述的拉力测量模块7用于获取拉力测量值、螺旋桨 转速、桨距信息（包括桨距值及桨距变化信息），并根据拉力测量值，螺旋桨转速，桨距信息， 通过以下的公式来确定所述的动态拉力， ，其中，T_d为所述动态拉力信 息，T_r为动力测量模块实际检测得到的拉力值，ω为螺旋桨1转速，Pit为桨距信息，所述函 数通过确定动态拉力值，T( )为动态拉力确定函数。

由于螺旋桨具有惯性，即具有保持原有转动状态的能力，在输出油门信号不变的情况下，桨距的改变导致负载改变，是会引起转速改变的，但是，由于螺旋桨惯性的存在，变距之后一小段时间内，螺旋桨的转速仍然保持在变距前的水平，这会导致拉力测量值产生误差，所述动态拉力确定函数的目的在于，对该部分引螺旋桨惯性引起的动态拉力测量误差进行修正，从而得到更加精确的动态拉力值。

具体而言，拉力测量模块获取的是拉力测量值、螺旋桨转速、桨距信息，其中，拉力测量值可由拉力传感器直接测量得出；螺旋桨转速可由转速传感器给出，常见如光电式转速传感器，霍尔转速传感器，甚至于根据电机控制器输出信号的脉冲分析，均可以得到螺旋桨的转速信息；桨距信息由变距控制器给出，包括当前的桨距值，及桨距变化信息。

在本具体实施例中，T()动态拉力确定函数是这样确定的，最终的动态拉力值，其实是在实际拉力测量值的基础上，进行修正之后得到的，所以以拉力测量值为基准，以螺旋桨转速及桨距信息的来修正，通常，认为对动态拉力的影响，与螺旋桨转速的平方呈正比，则动态拉力可以表示为（实际拉力测量值×转速^2×k），其中，k为修正系数，k只与桨距信息有关，所以，可以通过已标定的K值与当前桨距值和桨距变化信息的二维表进行插值来确定修正系数k，从而再借助实际拉力测量值及转速值得到动态拉力值。

在本发明的一个实施例中，所述变距控制器6，通过以下公式确定所述的目标桨 距范围：目标桨距上限 ; 目标桨距下限 ;其中， Pit_high为所述目标桨距范围的上限值，Pit_low为所述目标桨距范围的下限值，ω为所述 的螺旋桨1转速，V为飞行器的空速，high为一个提前设定的参数，用于确定上限值，low为一 个提前设定的参数，用于确定下限值，P（）为目标桨距确定函数。

目标桨距范围通常包含有最佳桨距值，而目标桨距范围相较桨距可移动范围也比较小，因此目标桨距范围的设置，相当于给自寻优方法提供了优选的小范围用于进一步的动态追踪，这加快了自寻优的速度及自寻优的精度，有利于提高自动变距装置的快速响应能力。

同时，目标桨距范围的设置，也可以在自寻优方法给出异常数据点时，对异常数据点进行剔除，从而提高整个自动变距装置的可靠性。

具体而言，变距控制器获取的是螺旋桨的转速ω和飞行器的空速V，其中，螺旋桨转速可由转速传感器给出，常见如光电式转速传感器，霍尔转速传感器，甚至于根据电机控制器输出信号的脉冲分析，均可以得到螺旋桨的转速信息；飞行器的空速，通常由导航系统给出。

在本具体实施例中，采用了下述的计算公式：

目标桨距上限 ;

目标桨距下限;

这里，不妨理解为，公式 给出的为目标范围中值，而 high为目标范围的上限端半径，low为目标范围的下限端半径，由于high和low通常由认为 指定，在初始化环节予以确定，实际的变量仅是螺旋桨转速及飞行器空速。该计算方法的理 论来源是：对于一般的无人机，当h-λ=0.2时，可以达到最大的效率。这里h为相对螺距，λ为 相对进距，并且有h=H/D (H:实际螺距，D：螺旋桨直径) ；λ=V/(n*D) (V：飞行速度，n：转 速)； 螺旋桨的螺距值，通常以螺旋桨70%半径处剖面对应迎角来作为螺旋桨的螺距值。需 要说明的是，在本具体实施例中，采用了基准值加目标范围半径的函数确定思路，实际使用 中，也可将high和low作为修正系数代入，即利用螺旋桨转速值，飞行器空速及high，low分 别为上下限对应参数的方法来确定目标桨距上下限，均可视为对本发明的等同替换。

在本发明的一个实施例中，所述的变距控制器6的所述自动寻优过程的方法，为：所述的变距控制器6，将不同时刻的采样点的桨效数据顺次储存，基于桨效值连续，桨效最大值点桨效变化率为零的原理，实时地不断地检测本身的工作状态，对于当前桨距是否处于可能达到的最大桨效状态作出判断，根据检测和判断的信息确定桨距值；并将此桨距值与目标桨距范围进行比较，将输出的桨距值控制在目标桨距范围内。

自寻优的方案，可以在不加考虑系统间复杂耦合的情况下，动态地追踪到不同飞行状态下的最佳桨距值至桨效最大的点，适应性强，可以快速应用到不同的对象上，而无需针对应用对象进行复杂的建模。而在有着类似功能需求的太阳能电池领域，可以参考的自寻优方案，包括：扰动观察法，时刻给系统以一定的扰动量，检测当前的目标值是否比上一采样点的检测值大，若是，则保持扰动方向，否则，扰动方向反向；爬山斜率法，计算不同采样点的实际斜率值，并认为斜率为零的值，对应最大的目标值；变步长控制，寻优速度更快，同时在最大值点附近波动小。

在本具体实施例中，采用的是扰动法和变步长控制结合的方法，具体是：变距控制器记录前后采样点的桨效值为E1,E2,并由E1,E2得到桨效变化率dp，另有参数step记录桨距步进值，P1为前一采样点的桨距值，P2为本次采样点（需要输出）的桨距值，其中，step的符号，由E1,E2的大小确定，若E1<E2，则step符号不变，若E1>E2,则符号取反；step的绝对值，与桨效变化率dp的绝对值呈正相关，不妨将此正相关系数记作是t，那么，输出的桨距值P2=P1+step*t*dp。而在前面中已确定目标桨距范围为[Pit_low,Pit_high],比较P2的值是否在[Pit_low,Pit_high]内，若P2>Pit_high则赋Pit_high的值给P2,若P2<Pit_low,则赋Pit_low的值给P2。需要说明的是，在本具体实施例中，给出了具体的自寻优思路，但不视作是对本发明的限制。

为了实现上述实施例，本发明还提出了一种用于上述自动变距螺旋桨装置的控制方法，图3为根据本发明实施例的用于自动变距螺旋桨装置的控制方法的流程图。

如图3所示，该用于直升机的尾桨驱动系统的控制方法可以包括：

S301,获取动态拉力，推进系统功率值，计算桨效值；

S302,获取螺旋桨转速，飞行器控制值，计算目标桨距范围；

S303,依自动寻优方法，以最高桨效作为寻优目标，并与目标桨距范围比较，得到桨距信息;

S304,发送桨距信息给变距驱动模块，以使变距驱动模块控制螺旋桨变距结构对螺旋桨进行变距操作。

在本发明的一个实施例中，通过以下的公式来确定所述的动态拉力，T_d=T(T_r,ω,Pit)，其中，T_d为所述动态拉力信息，T_r为动力测量模块实际检测得到的拉力值，ω为螺旋桨转速，Pit为桨距信息，所述函数通过确定动态拉力值，T( )为动态拉力确定函数。

本发明的一个实施例中，通过以下公式确定所述的目标桨距范围：目标桨距上限Pit_high=P(ω,V,high); 目标桨距下限 Pit_low=P(ω,V,low);其中，Pit_high为所述目标桨距范围的上限值，Pit_low为所述目标桨距范围的下限值，ω为所述的螺旋桨转速，V为飞行器的空速，high为一个提前设定的参数，用于确定上限值，low为一个提前设定的参数，用于确定下限值，P（）为目标桨距确定函数。

在本发明的一个实施例中，所述的变距控制器的自动寻优过程的方法，包括：变距控制器，将不同时刻的采样点的桨效数据顺次储存，基于桨效值连续，桨效最大值点桨效变化率为零的原理，实时地不断地检测本身的工作状态，对于当前桨距是否处于可能达到的最大桨效状态作出判断，根据检测和判断的信息确定桨距值；并将此桨距值与目标桨距范围进行比较，将输出的桨距值控制在目标桨距范围内。

需要说明的是，前述对自动变距螺旋桨装置的实施例的解释说明解释说明，也适用于该实施例的自动变距螺旋桨装置的控制方法，其实现原理类似，在此不再赘述。

根据本发明实施例的用于自动变距螺旋桨装置的控制方法

通过获取推进系统的动态拉力值及输入功率值，得到桨效信息，利用自动寻优的方法，自动匹配最佳桨效的桨距值，并输出该桨距给变距控制器，变距控制器控制变距结构，变距结构对螺旋桨进行变桨操作，从而保证在不同的飞行状态下（尤其是飞行速度改变），动力系统都能实时追踪到较高的效率所对应的桨距值，提高了动力系统的效率。

需要说明的是，前述对自动变距螺旋桨装置的实施例的解释说明，也适用于该实施例的飞行器，其实现原理，有益的技术效果类似，在此不再赘述。

根据本发明实施例的飞行器，通过变距控制器获取所述拉力测量模块的动态拉力值及获取所述飞行器的推进系统功率，由动态拉力和输入功率，确定实时桨效值信息，获取所述飞行器的螺旋桨转速和空速信息，并根据螺旋桨转速，空速信息确定目标桨距范围，所述变距控制器储存不同采样点的桨效数据，并根据这些桨效数据，利用自动寻优的方法给出一个在所述的目标桨距范围内的桨距值，并将所述桨距信息发送至所述变距驱动装置，以使所述变距驱动装置根据所述桨距信息控制所述变距结构对所述螺旋桨进行变距操作，从而保证在不同的飞行状态下（尤其是飞行速度改变），动力系统都能实时追踪到较高的效率所对应的桨距值，提高了动力系统的效率。

需要说明的是，前述对自动变距螺旋桨装置的有益技术效果的解释说明，也适用于该实施例的飞行器，其实现原理，有益的技术效果类似，在此不再赘述。

根据本发明实施例的飞行器，

通过获取推进系统的动态拉力值及输入功率值，得到桨效信息，利用自动寻优的方法，自动匹配最佳桨效的桨距值，并输出该桨距给变距控制器，变距控制器控制变距结构，变距结构对螺旋桨进行变桨操作，从而保证在不同的飞行状态下（尤其是飞行速度改变），动力系统都能实时追踪到较高的效率所对应的桨距值，提高了动力系统的效率。

参照图4，给出了采用了自动变距螺旋桨装置与固定螺距螺旋桨的效率对比图，测试条件为：螺旋桨型号为23*12，即螺旋桨的直径为23英寸，而螺旋桨的螺距为12英寸，剖面翼型为MA409，测试的速度范围为0-10m/s的空速，模拟小型长航时无人机，从静止，到滑跑起飞，爬升，以及巡航等飞行时的速度范围。

通过对图4的分析，不难发现，在大的速度范围内，采用变距螺旋桨的动力组，其效率值普遍高于变距螺旋桨，例如，针对某款小型太阳能无人机7m/s的巡航速度，采用固定螺距的螺旋桨，效率仅为66%左右，而采用变距螺旋桨，则可以将效率提高至80%以上，即效率提升20%，这对于降低飞行器的巡航功率，提高飞行器的续航时间有着极其重要的意义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种自动变距螺旋桨装置，其特征在于，包括：

螺旋桨;

变距结构，所述的变距结构与所述螺旋桨相连，所述的变距结构用于对所述的螺旋桨进行变距操作，以使所述螺旋桨通过桨距调节的方式，以桨效较高的方式工作；

变距驱动装置，所述变距驱动装置与所述的变距结构相连，所述的变距驱动装置，用于通过对所述的变距结构的操纵以实现所述螺旋桨的桨距调节；

电动机，所述的电动机与所述的螺旋桨相连，所述的电动机用于驱动所述的螺旋桨；

电机控制器，所述的电机控制器与所述电动机相连，所述的电机控制器用于控制所述电动机的转速；

拉力测量模块，所述的拉力测量模块与推进系统相连，所述的拉力测量模块用于测量推进系统的动态拉力；

推进系统：包括所述螺旋桨、变距结构、变距驱动装置、电动机及电机控制器，所述推进系统安装在飞行器上，为飞行器提供推进力，飞行器供给推进系统的输入功率，为推进系统功率；

变距控制器，所述的变距控制器分别与所述的变距驱动装置以及所述电机控制器相连，所述的变距控制器，用于获取所述拉力测量模块的动态拉力值及获取所述飞行器的推进系统功率，由动态拉力和输入功率，确定实时桨效值信息，获取所述飞行器的螺旋桨转速和空速信息，并根据螺旋桨转速，空速信息确定目标桨距范围，所述变距控制器储存不同采样点的桨效数据，并根据这些桨效数据，利用自动寻优的方法给出一个在所述的目标桨距范围内的桨距值，并将所述桨距信息发送至所述变距驱动装置，以使所述变距驱动装置根据所述桨距信息控制所述变距结构对所述螺旋桨进行变距操作。

2.如权利要求1所述的自动变距螺旋桨装置，其特征在于，所述拉力测量模块用于获取拉力测量值、螺旋桨转速、包括桨距值及桨距变化量的桨距信息，并根据拉力测量值，螺旋桨转速，桨距信息，通过以下的公式来确定所述的动态拉力，;

其中，T_d为所述动态拉力信息，T_r为动力测量模块实际检测得到的拉力值，ω为螺旋桨转速，Pit为桨距信息，所述函数通过拉力测量值、螺旋桨转速和桨距信息确定动态拉力值，T( )为动态拉力确定函数。

3.如权利要求1所述的自动变距螺旋桨装置，其特征在于，所述变距控制器，通过以下公式确定所述的目标桨距范围：

目标桨距上限;

目标桨距下限 ;

其中，Pit_high为所述目标桨距范围的上限值，Pit_low为所述目标桨距范围的下限值，ω为所述的螺旋桨转速，V为飞行器的空速，high为一个提前设定的参数，用于确定上限值，low为一个提前设定的参数，用于确定下限值，P（）为目标桨距确定函数。

4.如权利要求1所述的自动变距螺旋桨装置，其特征在于：

所述的变距控制器，将不同时刻的采样点的桨效数据顺次储存，基于桨效值连续，桨效最大值点桨效变化率为零的原理，实时地不断地检测本身的工作状态，对于当前桨距是否处于可能达到的最大桨效状态作出判断，根据检测和判断的信息确定桨距值；并将此桨距值与目标桨距范围进行比较，将输出的桨距值控制在目标桨距范围内。

5.一种用于权利要求1至4中任一所述的自动变距螺旋桨装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取所述拉力测量模块的动态拉力值及获取所述飞行器的推进系统功率，由动态拉力和输入功率，确定实时桨效值信息；

获取所述飞行器的螺旋桨转速和空速信息，并根据螺旋桨转速，空速信息确定目标桨距范围；

所述变距控制器储存不同采样点的桨效数据，并根据这些桨效数据，利用自动寻优的方法给出一个在所述的目标桨距范围内的桨距值；

将所述桨距信息发送至所述变距驱动装置，以使所述变距驱动装置根据所述桨距信息控制所述变距结构对所述螺旋桨进行变距操作。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，通过以下的公式来确定所述的动态拉力，;

其中，T_d为所述动态拉力信息，T_r为动力测量模块实际检测得到的拉力值，ω为螺旋桨转速，Pit为桨距信息，所述函数通过拉力测量值、螺旋桨转速和桨距信息确定动态拉力值，T( )为动态拉力确定函数。

7.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，通过以下公式确定所述的目标桨距范围：

目标桨距上限;

目标桨距下限 ;

其中，Pit_high为所述目标桨距范围的上限值，Pit_low为所述目标桨距范围的下限值，ω为所述的螺旋桨转速，V为飞行器的空速，high为一个提前设定的参数，用于确定上限值，low为一个提前设定的参数，用于确定下限值，P（）为目标桨距确定函数。

8.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述的变距控制器的所述自动寻优过程的方法，包括：

所述的变距控制器，将不同时刻的采样点的桨效数据顺次储存，基于桨效值连续，桨效最大值点桨效变化率为零的原理，实时地不断地检测本身的工作状态，对于当前桨距是否处于可能达到的最大桨效状态作出判断，根据检测和判断的信息确定桨距值；并将此桨距值与目标桨距范围进行比较，将输出的桨距值控制在目标桨距范围内。

9.一种飞行器，其特征在于，包括：如权利要求1至4中任一项所述的自动变距螺旋桨装置。

10.一种飞行器，其特征在于，所述飞行器用于执行如权利要求5至8中任一项所述的控制方法。