CN110318856A - 无人机发动机的智能温控系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

无人机发动机的智能温控系统及其实现方法，涉及无人机发动机技术领域，特别是属于一种无人机发动机液冷（水冷，油冷）的温度控制系统及其实现方法。包括安装在无人机机头部的智能水箱组件以及集成在无人机自驾仪内部的PID控制器，智能水箱组件包括水箱、水箱顶部安装的百叶窗活动组件以及水箱底部安装的电子扇，水箱安装在发动机上方并与发动机相连接，在水箱的进水口处设置有温度传感器，在水箱的出水口处安装有加热棒，加热棒、温度传感器、百叶窗活动组件中的伺服电机以及电子扇，与PID控制器连接，PID控制器通过无人机自驾仪内部的无线电台与地面端完成实时数据传输通信。本发明对改善无人机发动机的冷却效果起到了积极作用。

Description

无人机发动机的智能温控系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及无人机发动机技术领域，特别是属于一种无人机发动机液冷（水冷，油冷）的温度控制系统及其实现方法。

背景技术

无人机发动机冷却系统（以下简称无人机冷却系统）是无人机重要的组成部分，其功能是冷却发动机工作中产生多余的热量，维持发动机温度在一定的范围内以保证发动机持续稳定运行，其冷却效果直接决定了无人机发动机的可靠性与使用寿命。

目前无人机冷却系统主要有自然冷却，强制风冷和液冷，自然冷却是通过发动机缸体的散热片与外界空气接触，发动机工作时通过自然风流动给发动机降温；强制风冷散热较自然冷却散热不同之处在于强制风冷散热是通过发动机带动自身的冷却风扇转动，风扇强制吹缸体散热片冷却，风扇转速快慢与发动机转速保持同步已达到散热效果；液冷散热装置由水泵，外置散热器，冷却液等部件组成，散热原理是发动机工作带动水泵旋转，冷却液通过发动机外部的散热器（水箱）与发动机之间进行液体热交换以达到散热效果。而这几种传统的散热方式在无人机发动机上应用有很多弊端，主要表现在以下几个方面：

1.自然冷却受外部环境温度的影响大，冷却效率低下，不能满足高温天气及长时间运行；

2.强制风冷的风扇散热系统，一方面会增加发动机额外的重量，降低发动机的功重比；另一方面会损失发动机的功率，使动力输出下降，而且风扇高速转动使发动机振动变大，可靠性差；

3.强制风冷是开环控制，不能随外部环境温度变化而改变，而且风扇长时间运行发热量大且冷却效果差；

4.液冷散热冷却液易泄露，易受气候变化的影响，比如冬天气温低，发动机需要长时间的热车之后才能正常运行。

发明内容

本发明的目的即在于提供一种无人机发动机的智能温控系统及其实现方法，以达到实现对无人机发动机温度的智能调控的目的。

本发明所提供的无人机发动机的智能温控系统，其特征在于，包括安装在无人机机头部的智能水箱组件以及集成在无人机自驾仪内部的PID控制器，所述的智能水箱组件包括水箱、水箱顶部安装的百叶窗活动组件以及水箱底部安装的电子扇，所述的水箱通过支架安装在发动机上方并与发动机相连接，其中，在水箱的进水口处设置有温度传感器，在水箱的出水口处安装有加热棒，加热棒、温度传感器、百叶窗活动组件中的伺服电机以及电子扇，通过导线与PID控制器的I/O端口连接，PID控制器通过无人机自驾仪内部的无线电台与地面端完成实时数据传输通信。

进一步的，上述百叶窗活动组件包括窗体框架以及窗体框架之间的活动挡板，贯穿活动挡板的转轴分别于两端，通过轴承座固定在百叶窗活动组件的窗体框架上，且转轴端部还连接有转轴摆臂，所述的转轴摆臂通过钢丝绳与伺服电机连接，其中，钢丝绳的一端还连接有复位弹簧。

进一步的，在无人机悬停状态下，散热量与百叶窗活动组件的活动挡板的倾斜角度在0-90度的角度范围内成线性变化；在无人机前飞状态下，散热量与百叶窗活动组件的活动挡板的倾斜角度在0-45度的角度范围内成线性变化。

本发明所提供的一种基于无人机发动机的智能温控系统的实现方法，其特征在于，包括如下控制过程：

1）无人机起飞前

操控人员通过地面站软件设置发动机工作温度和过载温度，发动机启动后温度传感器采集水箱水温，并反馈温度数据至PID控制器， PID控制器内部做对比运算，当温度传感器采集到的温度低于工作下限温度时，PID控制器启动加热棒预热，并控制伺服舵机拖拽钢丝绳，使百叶窗活动组件的活动挡板关闭，水箱加温，直至温度传感器采集的水箱水温值达到工作下限温度时，PID控制器关闭加热棒，加热棒停止加热，此时无人机具备起飞条件可以起飞；

2）无人机起飞后

自驾仪检测飞行状态，包括以下事件处理机制：

事件1：当自驾仪检测到无人机悬停时，当温度传感器采集到的水箱水温值高于工作上限温度但不高于工作过载温度时，PID控制器控制百叶窗活动组件的活动挡板缓慢打开至90度的倾角角度，此时充分利用螺旋桨气流7散热，且散热量与活动挡板的倾角呈线性关系，角度越大，气流强度越大，散热量越大，反之越小；

事件2：当自驾仪检测到无人机前飞时，当温度传感器采集到的水箱水温值高于工作上限温度但不高于工作过载温度时，PID控制器控制百叶窗活动组件的活动挡板缓慢打开至45度的倾角角度，此时充分利用前飞气流9散热，且散热量与活动挡板的倾角呈线性关系，角度越大，气流强度越大，散热量越大，反之越小；

事件3：当温度传感器采集到的水箱水温值达到工作过载温度时，PID控制器控制电子扇启动，直至水箱降温到工作温度范围，电子扇关闭，并依上述事件处理机制进行。

本发明所提供的无人机发动机的智能温控系统及其实现方法，相对于传统的无人机冷却系统具有以下明显优势：

1)、充分利用无人机飞行过程中前飞气流和螺旋桨气流进行散热，不需要消耗额外的散热功率，提高了散热效率，降低了发动机负荷，更适合长时间飞行；

2)、通过百叶窗活动挡板调节散热温度，实现散热系统PID闭环控制，使发动机温度不受外界环境的影响；

3)、具备冷却液预热功能，发动机不需要长时间热车，只需1~2分钟时间内预热，即可达到发动机的工作温度需求且不受气候变化的影响，更加便捷智能；

4)、具备电子扇快速冷却功能，当发动机过载温度升高时，电子扇可以迅速降低发动机温度，避免发动机因过热拉缸。

综上所述，本发明的应用，对改善无人机发动机的冷却效果起到了积极作用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工作原理图；

图3为本发明的百叶窗活动组件的结构示意图；

图4为本发明的安装位置示意图；

图5为本发明在无人机悬停状态下的结构示意图；

图6为本发明在无人机前飞状态下的结构示意图；

图7为本发明无人机气流关系示意图。

具体实施方式

如图1-7所示，本发明所提供的无人机发动机的智能温控系统，包括安装在无人机机头部14的智能水箱组件11以及集成在无人机自驾仪内部的PID控制器，其中，安装后的智能水箱组件与水平面呈一定的倾斜角度。智能水箱组件主要包括水箱10、水箱顶部安装的百叶窗活动组件以及水箱底部安装的电子扇6，发动机过载时，通过PID控制器控制电子扇转动，以达到水箱的迅速散热。在本发明的具体实施例中，水箱通过支架5安装在发动机13上方并与发动机相连接，在水箱的进水口处设置有温度传感器1，温度传感器用来采集水箱内冷却液的温度，即发动机的工作温度；在水箱的出水口处安装有加热棒4，加热棒用于预热水箱内的冷却液，上述温度传感器和加热棒为冷却液专用部件，是可以直接在水箱冷却液中浸没，且外部有管螺纹和密封垫与水箱连接密封，也不会存在漏水、腐蚀问题。百叶窗活动组件是由窗体框架8、窗体框架之间的活动挡板2、转轴、轴承座15、转轴摆臂16、钢丝绳12以及伺服电机3构成的，具体地，转轴贯穿活动挡板并于转轴的两端，分别通过轴承座固定在窗体框架上，用于支撑活动挡板的自由活动；转轴端部连接转轴摆臂，转轴摆臂通过钢丝绳与伺服电机连接，优选地，在钢丝绳的一端还连接有复位弹簧17，细钢丝绳在伺服舵机的拖动下，可带动活动挡板任意角度下的转动。上述加热棒、温度传感器、百叶窗活动组件中的伺服电机以及电子扇，通过导线与PID控制器的I/O端口连接，PID控制器通过无人机自驾仪内部的无线电台与地面端完成实时数据传输通信。在无人机悬停状态下，散热量与百叶窗活动组件的活动挡板的倾斜角度在0-90度的角度范围内成线性变化；在无人机前飞状态下，散热量与百叶窗活动组件的活动挡板的倾斜角度在0-45度的角度范围内成线性变化。

本发明还提供了一种基于无人机发动机的智能温控系统的实现方法，具体包括如下控制过程：

1）无人机起飞前：

无人机起飞前需地面热车，待水温达到发动机工作温度时方可起飞。具体地，操控人员通过地面站软件设置发动机工作温度和过载温度，在本发明的实施例中，设定发动机的工作温度范围85±10℃，目标值85℃，工作过载温度100℃。发动机启动后，温度传感器（K型热电偶）采集水箱水温，并反馈温度数据至PID控制器， PID控制器内部做对比运算，当温度传感器采集到的温度低于设定工作下限温度75℃时，PID控制器启动加热棒预热，并控制伺服舵机拖拽钢丝绳，使百叶窗活动组件的活动挡板关闭，水箱加温，直至温度传感器采集的水箱水温值达到设定工作下限温度75℃时，PID控制器关闭加热棒，加热棒停止加热，此时无人机具备起飞条件可以起飞。

2）无人机起飞后

自驾仪检测飞行状态，包括以下事件处理机制：

事件1：当自驾仪检测到无人机悬停时，此时前飞速度为0，气流主要是螺旋桨气流7；当温度传感器采集到的水箱水温值高于工作上限温度95℃但不高于工作过载温度100℃时，PID控制器控制百叶窗活动组件的活动挡板缓慢打开至90度的倾角角度，此时充分利用螺旋桨气流散热，且散热量与活动挡板的倾角呈线性关系，角度越大（90度最大），气流强度越大，散热量越大，反之越小，从而通过调整活动挡板的倾角进而控制温度。

事件2：当自驾仪检测到无人机前飞时，此时前飞气流9大于螺旋桨气流，当温度传感器采集到的水箱水温值高于工作上限温度95℃但不高于工作过载温度100℃时，PID控制器控制百叶窗活动组件的活动挡板缓慢打开至45度的倾角角度，此时充分利用前飞气流散热，且散热量与活动挡板的倾角呈线性关系，角度越大（45度最大），气流强度越大，散热量越大，反之越小，从而通过调整活动挡板的倾角进而控制温度。

事件3：当温度传感器采集到的水箱水温值达到工作过载温度100℃时，PID控制器控制电子扇启动，从而通过电子扇的启动达到水箱的快速散热降温，直至水箱降温到工作温度范围，电子扇关闭，并依上述事件处理机制进行。

Claims (4)

1.一种无人机发动机的智能温控系统，其特征在于，包括安装在无人机机头部的智能水箱组件以及集成在无人机自驾仪内部的PID控制器，所述的智能水箱组件包括水箱、水箱顶部安装的百叶窗活动组件以及水箱底部安装的电子扇，所述的水箱通过支架安装在发动机上方并与发动机相连接，其中，在水箱的进水口处设置有温度传感器，在水箱的出水口处安装有加热棒，加热棒、温度传感器、百叶窗活动组件中的伺服电机以及电子扇，通过导线与PID控制器的I/O端口连接，PID控制器通过无人机自驾仪内部的无线电台与地面端完成实时数据传输通信。

2.根据权利要求1所述的无人机发动机的智能温控系统，其特征还在于，上述百叶窗活动组件包括窗体框架以及窗体框架之间的活动挡板，贯穿活动挡板的转轴分别于两端，通过轴承座固定在百叶窗活动组件的窗体框架上，且转轴端部还连接有转轴摆臂，所述的转轴摆臂通过钢丝绳与伺服电机连接，其中，钢丝绳的一端还连接有复位弹簧。

3.根据权利要求1所述的无人机发动机的智能温控系统，其特征还在于，在无人机悬停状态下，散热量与百叶窗活动组件的活动挡板的倾斜角度在0-90度的角度范围内成线性变化；在无人机前飞状态下，散热量与百叶窗活动组件的活动挡板的倾斜角度在0-45度的角度范围内成线性变化。

4.根据权利要求1所述的无人机发动机的智能温控系统的实现方法，其特征在于，包括如下控制过程：

1）无人机起飞前

操控人员通过地面站软件设置发动机工作温度和过载温度，发动机启动后温度传感器采集水箱水温，并反馈温度数据至PID控制器， PID控制器内部做对比运算，当温度传感器采集到的温度低于工作下限温度时，PID控制器启动加热棒预热，并控制伺服舵机拖拽钢丝绳，使百叶窗活动组件的活动挡板关闭，水箱加温，直至温度传感器采集的水箱水温值达到工作下限温度时，PID控制器关闭加热棒，加热棒停止加热，此时无人机具备起飞条件可以起飞；

2）无人机起飞后

自驾仪检测飞行状态，包括以下事件处理机制：

事件1：当自驾仪检测到无人机悬停时，当温度传感器采集到的水箱水温值高于工作上限温度但不高于工作过载温度时，PID控制器控制百叶窗活动组件的活动挡板缓慢打开至90度的倾角角度，此时充分利用螺旋桨气流7散热，且散热量与活动挡板的倾角呈线性关系，角度越大，气流强度越大，散热量越大，反之越小；

事件2：当自驾仪检测到无人机前飞时，当温度传感器采集到的水箱水温值高于工作上限温度但不高于工作过载温度时，PID控制器控制百叶窗活动组件的活动挡板缓慢打开至45度的倾角角度，此时充分利用前飞气流9散热，且散热量与活动挡板的倾角呈线性关系，角度越大，气流强度越大，散热量越大，反之越小；

事件3：当温度传感器采集到的水箱水温值达到工作过载温度时，PID控制器控制电子扇启动，直至水箱降温到工作温度范围，电子扇关闭，并依上述事件处理机制进行。