CN110836146A - 一种直升机无人化改装中的发动机自动控制方法 - Google Patents
一种直升机无人化改装中的发动机自动控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110836146A CN110836146A CN201911187557.XA CN201911187557A CN110836146A CN 110836146 A CN110836146 A CN 110836146A CN 201911187557 A CN201911187557 A CN 201911187557A CN 110836146 A CN110836146 A CN 110836146A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- engine
- rotating speed
- helicopter
- rpm
- speed
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 230000004048 modification Effects 0.000 title claims abstract description 17
- 238000012986 modification Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000004927 fusion Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 33
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 11
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 9
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 9
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 8
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 8
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 5
- 239000007858 starting material Substances 0.000 claims description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 2
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 claims 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 17
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 6
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 5
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 5
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 4
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 3
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 3
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 3
- RZVHIXYEVGDQDX-UHFFFAOYSA-N 9,10-anthraquinone Chemical compound C1=CC=C2C(=O)C3=CC=CC=C3C(=O)C2=C1 RZVHIXYEVGDQDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 101150109471 PID2 gene Proteins 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 101100190466 Caenorhabditis elegans pid-3 gene Proteins 0.000 description 1
- 101100243942 Caenorhabditis elegans pid-4 gene Proteins 0.000 description 1
- 101000609957 Homo sapiens PTB-containing, cubilin and LRP1-interacting protein Proteins 0.000 description 1
- 102100039157 PTB-containing, cubilin and LRP1-interacting protein Human genes 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical group [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D29/00—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto
- F02D29/02—Controlling engines, such controlling being peculiar to the devices driven thereby, the devices being other than parts or accessories essential to engine operation, e.g. controlling of engines by signals external thereto peculiar to engines driving vehicles; peculiar to engines driving variable pitch propellers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
- B64D31/00—Power plant control systems; Arrangement of power plant control systems in aircraft
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
- F02D31/00—Use of speed-sensing governors to control combustion engines, not otherwise provided for
- F02D31/001—Electric control of rotation speed
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
Abstract
本发明涉及直升机无人化技术领域，具体为一种直升机无人化改装中的发动机自动控制方法，包括以下步骤：S1.使用多种类型数据源加滤波融合算法对直升机发动机进行转速采集；S2.对多组转速采集数据加权平均并计算得到发动机转速RPMeng；S3.区分判断出直升机发动机的各工况；S4.在各工况下进行PID调参测试，得到相对应的PID参数；S5.在直升机发动机控制软件程序编写中，根据发动机软件控制科目和当前工况调用相对应的PID参数进行自动控制运算。本发明能够对直升机发动机转速进行准确、稳定并快速采集；能够根据当前执行科目和工况判断并调用对应工况的PID参数进行自动控制运算，从而实现直升机无人化改装的自动控制功能。
Description
技术领域
本发明涉及直升机无人化技术领域，具体为一种直升机无人化改装中的发动机自动控制方法。
背景技术
在无人机控制领域，绝大多数研究集中在无人机的姿态控制、航线规划、障碍物规避等空中科目。对于中型（300kg）级别以上的无人直升机来说，世界范围内均采用对有人直升机进行无人化改装的方式进行研发。但有人直升机发动机启动流程相对微小型无人机复杂的多，要求经验丰富的驾驶员和地面人员配合才能完成。在为数不多的中型以上无人直升机研发过程中，普遍采用人工地面启动发动机的方式，由驾驶员手动/遥控控制发动机到离地状态，甚至进入悬停后，才由飞行控制计算机接管，进入无人控制阶段。
无人直升机由于成本控制和功能需求的限制，基本选用活塞式发动机，乃至二冲程发动机。直升机自身的复杂构造导致发动机的控制难度大，启动流程繁琐，对驾驶员经验依懒性较高。其具体控制的难点主要在于：
1.如何确保发动机转速采集的实时性与准确性；对于发动机控制来说，维持发动机转速在期望值是发动机控制的最主要的目标，因此发动机转速真实值的采集至关重要，一旦发动机转速采集严重失真，则必将导致直升机的坠毁；然而直升机自带的转速传感器数值跳动较大，通常需要驾驶员凭经验加以判断和修正如果直接用于PID控制，则极易诱发震荡；如果简单的用滤波算法加以平滑，则容易导致采集滞后；如果只有单一采集源，则无法保证关键数据的可靠性；
2.直升机发动机的工况通常分为冷车启动、热车启动、冷车怠速、热车怠速、旋翼结合/分离过程和全转速六种情况；这六种情况下发动机的工作性能差距大，在不同天气环境下的表现亦不一致，同样依赖于飞行员的经验，导致无法使用一套固定的PID参数进行控制；
3.直升机的无人化改装工作量大，技术难度高，如何搭建低成本又可靠的航电系统也是难点之一；
4.直升机从发动机启动，到最后降落关车，有多项发动机控制相关流程需要进行，如何通过机载软件和地面站指令的合理架构实现直升机真正意义上的无人化，是发动机控制软件开发的要点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直升机无人化改装中的发动机自动控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种直升机无人化改装中的发动机自动控制方法，包括以下步骤：
S1.使用多种类型数据源加滤波融合算法对直升机发动机进行转速采集；
S2.对步骤S1得到的多组转速采集数据加权平均并通过滤波函数计算得到发动机转速RPMeng；
S3.利用传感器采集气缸头温度和大气环境温度，对比温度差判断当前状态为冷车或热车，通过发动机软件控制科目和发动机转速判断当前状态是怠速、结合、分离或全转速，进而区分判断出直升机发动机的工况为冷车怠速、热车怠速、旋翼结合/分离过程和全转速中哪一种；
S4.在步骤S3中各工况下进行PID调参测试，得到相对应的PID参数；
S5.在直升机发动机控制软件程序编写中，根据发动机软件控制科目和当前工况调用相对应的PID参数进行自动控制运算，从而实现直升机发动机的自动控制。
优选的，步骤S1中所述数据源的转速采集包括以下类型：
a)对发动机CDI脉冲发生器进行信号采集并计算出发动机转速RPMcdi；
b)对发动机传动轴进行信号采集并计算出发动机转速RPMc；
c)对旋翼桨盘进行信号采集并计算出发动机转速RPMr。
优选的，步骤S2中a)的采集方式为使用三极管和光耦处理发动机自身脉冲发生器产生的电信号，再由单片机采集，通过单位时间内电信号的触发频率来计算活塞往复周期，进而得到发动机转速RPMcdi；
步骤S2中b)的采集方式为在发动机传动轴轴向等间距加装多个磁钢，在磁钢径向加装霍尔传感器，利用磁钢经过霍尔传感器探头时激发传感器输出电信号，通过三极管和光耦处理后发送给单片机采集，通过单位时间内触发的信号量计算得到发动机转速RPMc；
步骤S2中c)的采集方式为在主旋翼桨盘下方加装电感式接近传感器，在主旋翼桨靠近电感式接近传感器探头时激发传感器产生高电平信号，通过三极管和光耦处理后发送给单片机采集，通过单位时间内触发的信号量计算得到发动机转速RPMr。
优选的，所述发动机转速RPMeng由以下公式计算得到：
RPMbeg=k1·RPMcdi+k2·RPMc+k3·k4·RPMr
其中k4表示减速比，k1，k2，k3分别表示三种转速采集值的权重比；
再将RPMbeg带入滤波函数，计算得到发动机转速RPMeng。
优选的，步骤S5中所述直升机发动机控制软件程序具有以下科目及其功能：
指令判断，用于分析地面站发送的控制指令，根据当前状态作出相应的决定，防止由于地面误操作引起安全事故；
开车准备，根据当前大气温度、湿度、气压、缸头温度以及前次关车时间计算并操控油门至启动位，打开点火开关，为发动机启动做准备；
自动开车，用于控制启动机来实现发动机的点火，完成怠速热车后控制发动机转速达到全转速，进入离地起飞状态；
关车准备，用于控制发动机转速从全转速降低至怠速状态，等待气缸头温度降到关车温度；
自动关车，依次关闭发电机和CDI点火线圈，实现发动机熄火关车，并通过发动机转速监测加以判断；
指令中止，在遇到危及直升机安全的紧急情况下迅速退出当前科目；
故障监控，用于监测直升机电气系统和平台功能并将故障信息传递到地面控制站，供地面监控人员参考并作出反馈。
与现有技术相比，本发明提供了一种直升机无人化改装中的发动机自动控制方法，具备以下有益效果：本发明能够对直升机发动机转速进行准确、稳定并快速采集；能够根据当前执行科目和工况判断并调用对应工况的PID参数进行自动控制运算，从而实现直升机无人化改装的自动控制功能。
附图说明
图1是发动机CDI脉冲发生器信号采集电路图；
图2是发动机传动轴霍尔传感器信号采集电路图；
图3是旋翼桨盘电感式接近传感器信号采集电路图；
图4是发动机管理的主流程图；
图5是发动机状态判断的流程图；
图6是离合器状态判断的流程图；
图7是气缸状态判断的流程图；
图8是供电系统状态判断的流程图；
图9是燃油状态判断的流程图；
图10是发动机故障处理的流程图；
图11是CDI自检的流程图；
图12是指令判断的流程图；
图13是开车准备的流程图；
图14是自动开车的流程图；
图15是关车准备的流程图；
图16是自动关车的流程图；
图17是转速稳定的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：为解决发动机转速准确、稳定和快速采集的难题，本发明选用了三种完全不同的数据源，对应关系为：
使用三极管和光耦处理发动机自身脉冲发生器产生的电信号，再由STM32F103RC芯片采集，通过单位时间内电信号的触发频率来计算活塞往复周期，进而计算出发动机转速RPMcdi；
在发动机传动轴表面上，垂直于传动轴的平面上，沿传动轴环向等间距加装三个磁钢，在同平面上沿径向加装霍尔传感器，保证霍尔传感器探头与磁缸表面最小距离为4mm。每当磁钢经过霍尔传感器探头时，传感器会输出电信号，通过三极管和光耦处理后发送给单片机采集。这样每当传动轴转动一圈，可以采集到三次脉冲信号，通过计算单位时间内触发的信号量，即可得到发动机转速RPMc；
在主旋翼桨盘下方加装电感式接近传感器，在主旋翼桨靠近电感式接近传感器探头时，传感器会产生高电平信号，通过三极管和光耦处理后发送给单片机采集。利用桨盘的对称辐射铝制结构，在桨盘下方安装接近传感器，保证其探头与桨盘铝制辐条距离为6至8mm。这样主旋翼每转动一圈，可以采集到4次脉冲信号，通过计算单位时间内触发的信号量，即可得到主旋翼转速。主旋翼与发动机主传动轴之间通过减速器联动，减速比为固定值11.07，用主旋翼转速乘以固定减速比即可得到发动机转速RPMr。这种转速采集方式只有在判定离合器完全结合之后才会使用。
1.发动机CDI脉冲信号采集
如图1所示，CDI信号线通过0欧姆电阻（R57）和1N4148二极管(D13)连接到NPN三极管（Q10）的发射极E； NPN三极管（Q10）的基极通过330欧姆电阻（R60）接地；NPN三极管（Q10）的集电极C通过1K电阻接5V直流电源；光耦(G3)的1脚阳极通过330欧姆电阻（R58）、1N4148二极管（D14）和1K电阻（R56）接到5V直流电源，1N4148二极管（D14）起到防反接的保护作用；光耦（G3）的3脚接地；光耦（G3）的6脚接3.3V直流电源；光耦（G3）的4脚通过1.2K电阻（R61）接地。
当CDI产生类似锯齿波形信号时，CDI信号经过1N4148二极管（D13）后，其信号中的正向电平会被1N4148二极管（D13）滤掉。CDI的负向电平加载NPN三极管（Q10）上，导致NPN三极管（Q10）符合三极管导通条件，三极管导通，5V直流电源会加载在1K电阻（R56）、三极管（Q10）和1K电阻（R59）这一支路上。没有电压加载到1N4148二极管（D14）、330欧姆电阻（D14）和光耦的1脚上，导致光耦（G3）1脚和3脚没有导通，而光耦（G3）的另一端4脚和6脚也没有导通，4脚为低电平，这为信号的低电平。若CDI信号为0V电平时，导致NPN三极管（Q10）不符合三极管导通条件,三极管关断，1K电阻（R56）、三极管（Q10）和1K电阻（R59）这一支路为断路，5V直流电源加载到1N4148二极管（D14）、330欧姆电阻（D14）和光耦的1脚上，导致光耦（G3）1脚和3脚导通，而光耦（G3）的另一端4脚和6脚导通。3.3V直流电源加载到光耦（G3）6脚和4脚上，光耦（G3）的4脚输出3.3V高电平，这为信号的高电平。单片机采集光耦（G3）的4脚的电平信号，可得到标准的3.3V电平信号，经过计算即可得到发动机转速。这个电路不仅将CDI信号转为标准的3.3V脉冲信号，而且在一定程度上起到很好的信号滤波，防干扰作用。
2.发动机主传动轴转速采集
图2是霍尔传感器信号采集电路图，发动机主传动轴转速采集采用霍尔转速传感器。霍尔转速传感器将飞机发动机转速转成PWM电平信号。通过采集霍尔传感器输出的PWM信号就可得到飞机发动机转速。因为霍尔传感器输出的信号电平大于3.3V,无法被单片机读取，需加入一个简单的转换电路。如图2所示，霍尔传感器信号线通过1N4148二极管(D12)和一个5.1K电阻（R50）连接到9013NPN三极管（Q9）的基极B,1N4148二极管(D12)会把信号中的负向电平去掉，起到保护电路和滤波作用。9013NPN三极管（Q9）的发射极E连接到TLP120光耦(G2)的1脚阳极；9013NPN三极管（Q9）的集电极C通过3.3K电阻(R48)连接24V直流电源；TLP120光耦（G2）的3脚（阴极）接地； TLP120光耦（G2）的4脚发射极通过330欧姆电阻（R54）接地；TLP120光耦（G2）的6脚连接3.3V直流电源。当霍尔信号为高电平时候，导致三极管符合三极管导通条件，三极管导通，导致24V电压加载到三极管和TLP120光耦的1脚上，考虑到三极管是电流控制器件，不能长时间承受24V电压，需加入3.3K电阻（R48）作为分压电阻。导致低于24V电压加载到三极管和TLP120光耦的1脚上。当有电压加载TLP120光耦的1脚上时，光耦的1脚和3脚导通，导致光耦的4脚和6脚导通。就会有3.3V电压加载到光耦的4脚和6脚两端，这为信号高电平。若霍尔信号为低电平时，导致三极管不符合导通条件,没电压加载到光耦的1脚，支路没导通，光耦的4脚和6脚没有导通，这为信号低电平。单片机通过采集光耦4引脚的信号就可得标准3.3V的霍尔信号，经过计算即可得到发动机转速。这个电路不仅将霍尔信号转为标准的3.3V脉冲信号，而且在一定程度上起到很好的信号滤波，防干扰作用。
3.旋翼桨盘转速采集
图3是电感式接近传感器信号采集电路图，旋翼转速采集采用电感式接近传感器。接近转速传感器将飞机旋翼转速转成PWM电平信号。通过采集接近传感器输出的PWM信号就可得到飞机旋翼转速。因为接近传感器输出的信号电平大于3.3V,无法被单片机读取，需要一个简单的转换电路。如图3所示，接近传感器信号线通过1N4148二极管(D11)和一个5.1K电阻（R49）连接到9013NPN三极管（Q8）的基极B,1N4148二极管(D11)会把信号的中的负向电平去掉，起到保护电路作用。9013NPN三极管（Q8）的发射极E连接到TLP120光耦(G1)的1脚阳极；9013NPN三极管（Q8）的集电极C通过3.3K电阻（R47）连接24V直流电源； TLP120光耦（G1）的3脚（阴极）接地； TLP120光耦（G1）的4脚发射极通过330欧姆电阻（R53）接地；TLP120光耦（G1）的6脚连接3.3V直流电源。当接近信号为高电平时候，导致三极管符合三极管导通条件，三极管导通，导致24V电压加载到三极管和TLP120光耦的1脚上，考虑到三极管是电流控制器件，不能长时间承受24V电压，需加入3.3K电阻（R47）作为分压电阻。导致低于24V电压加载到三极管和TLP120光耦的1脚上。当有电压加载TLP120光耦的1脚上时，光耦的1脚和3脚导通，导致光耦的4脚和6脚导通。就会有3.3V电压加载到光耦的4脚和6脚两端，这为信号高电平。若接近信号为低电平时，导致三极管不符合导通条件,没电压加载到光耦的1脚，该支路没导通，光耦的4脚和6脚没有导通，这为信号低电平。单片机通过采集光耦4引脚的信号就可得标准3.3V的接近信号，经过计算即可得到旋翼转速。这个电路不仅将接近信号转为标准的3.3V脉冲信号，而且在一定程度上起到很好的信号滤波，防干扰作用。
4.发动机转速判定
通过公式RPMeng=k1·RPMcdi+k2·RPMc+k3·k4·RPMr计算，其中RPMeng表示加权平均后发动机转速，RPMcdi表示CDI脉冲采集到的发动机转速，RPMc表示发动机传动轴转速，RPMr表示旋翼转速，k4表示减速比，k1，k2，k3分别表示三种转速采集值得权重比。再将RPMeng带入滤波函数，计算得到最终的发动机转速。
为了适应直升机发动机在冷车怠速、热车怠速、旋翼结合/分离过程和全转速四种工况下的不同性能，本发明提出了PID参数自适应调节的方法。利用传感器采集气缸头温度和大气环境温度，通过对比温度差判断当前状态为冷车或是热车，通过发动机软件控制科目和发动机转速判断当前状态是怠速、结合、分离还是全转速。在完成了四种工况的区分之后，分别在四种工况下进行PID调参测试，得到四组PID参数。在发动机控制软件的编写中，根据当前执行科目和工况判断，在适当的时间调用对应工况的PID参数进行自动控制运算，从而实现直升机发动机的自动控制。
本发明为直升机无人化改装设计了一套低廉可靠的航电系统。主控计算机要求运行能力强，能够耐高温、高频振动并具有长时间运行的能力，故选用具有军工品质的PC104主板。嵌入Linux系统降低系统成本，运用合理的软件架构以满足多任务调度的使用需求。选用STM32F103RC芯片作为余度计算机，与Futaba遥控器通过SBUS总线接收机联通，在主飞控计算机出现故障或异常状态时可以有地面操控人员及时切换。油门舵机选用可靠性高、成本低廉的扭转舵机，将油门线固定于舵机旋转轴上，通过PWM波控制舵机旋转的角度进而控制油门大小。配以拉升传感器测量油门舵机的真实旋转角度反馈，实现舵机状态的监控。使用表贴式温度传感器测量气缸头温度；使用电阻式传感器测量大气环境温度、湿度和气压。
5. PID参数自适应调节
根据开车准备科目中采集到的缸头温度和大气温度做对比，若温度差小于6℃，判定为冷车，发动机点火成功后进入1500RPM冷车怠速转速稳定，开启PID转速稳定控制，调用冷车怠速PID1参数；反之为热车，调用热车怠速PID2参数。在进入旋翼结合过程后，记录当前周期油门位置作为新中立值，并清除I项（积分项）输出值，调用旋翼结合/脱离PID3参数，逐渐提升期望转速至6000RPM。当实际发动机转速超过6000RPM或当前油门位置超过期望，则记录当前油门位置并设置为6000RPM全转速中立值，并清除I项输出值，但保持PID参数不变。在确认6000RPM全转速真实稳定之后，直接调用全转速PID4参数，并开启总距油门曲线前馈函数。总距油门曲线通过在关闭PID转速稳定的情况下，由遥控器直接控制油门和总距舵机，并保持发动机6000RPM全转速测试获得，旨在减小PID控制引起的发动机转速响应滞后。至此，发动机达到起飞工作状态。关车方法与之一致，唯一区别在于关车过程中无需判断怠速方式，直接调用热车1500RPM转速稳定PID2参数即可。
6.发动机自动控制软件编写
a).发动机管理主函数
图4是发动机管理主函数的流程图，首先获取当前飞行模式（航前航后/航行中），并运行平台监测函数。如果当前飞行模式为航行中，则只响应航行中相关指令（载荷设备上电等），及航行中紧急指令；如果飞行模式为航前航后，则顺序运行开关指令解析函数、开关指令执行函数、航前连续量执行函数、航前紧急指令执行函数。最后执行指令输出函数，实现所有控制指令和采集数据的输出。
b).平台监测函数
顺序执行发动机、离合器、汽缸、供电系统、燃油状态和发动机故障处理函数。
c).发动机状态判断函数
图5是其流程图，当发动机转速大于800RPM时判定发动机已启动，当发动机转速大于6250RPM时判定发动机高速超转，如果航行中标志置位且转速低于5800RPM则判定发动机高速转速过低，如果低速超转判断标志置位且发动机转速高于2300RPM或旋翼转速大于零，则判定发动机低速超转。
d).离合器状态判断函数
图6是其流程图，如果旋翼转速等于0，则离合器状态为脱离；如果旋翼转速不为0，当前状态为航前航后且转速比小于12，则判定离合器啮合正常，若大于12且该状态持续时间大于10秒，则判定离合器啮合时间过长；如果旋翼转速不为0，当前状态为航行中且转速比大于12，则判定离合器啮合后异常。
e).汽缸状态判断函数
图7是其流程图，如果任一汽缸温度超过210摄氏度，或两汽缸温度差超过30摄氏度，则判定缸头状态异常；如果任一排气管温度超过732摄氏度，或两排气管温度差超过30摄氏度，则判定排气管状态异常。
f).供电系统判断函数
图8是其流程图，如果电压低于22V则低电压告警置位，如果电压高于26V则高电压告警置位，判断12V和24V发电机状态，并进行状态标志位置位。
g).燃油状态判断函数
图9是其流程图当油量低于7升时，进行低油量告警。
h).发动机故障处理函数
图10是其流程图，根据发动机状态判断函数做出的发动机状态判定，执行对应科目。进入离合器状态异常保护科目——如果状态为航行中，则紧急告警但不做执行动作，如果状态为航前航后，则迅速收油门至怠速位，准备关车检查；进入高速超转保护科目——记录当前油门位置，关闭转速稳定函数，逐渐减小油门位置直至发动机转速恢复正常；如果直升机状态为航行中，且进入高速转速过低科目——逐渐增加PID计算中的全转速油门中立值直至发动机转速恢复正常；进入低速超转科目——发布低速超转告警，但不直接触发油门控制，该状态多出现于初期PID参数调试阶段。
i).CDI自检
图11是其流程图，当发动机进入怠速稳定科目时才可进行CDI自检科目。分辨单独关闭1,2号CDI脉冲发生器，如果发动机转速未出现明显变化，则两个CDI脉冲发生器均正常，若1号CDI关闭出现发动机转速大幅下降甚至熄火，则证明2号CDI异常，反之亦然。
本发明开发了一套发动机管理软件，实现发动机全面的自动管理。参考有人直升机的飞行员操作准则，将发动机管理划分为以下主要科目：
j).指令判断
图12是其流程图，当收到指令更新标志后，首先查询是否为应急关车指令，若是则停止所有科目，执行应急关车程序；若不是则判断当前执行科目，若无执行科目则执行新科目，置位指令响应成功，若有科目正在执行中，则忽略新科目，置位指令响应失败。
k).开车准备
图13是其流程图，根据当前大气温度、湿度、气压，缸头温度，判断当前状态为冷车或是热车，依次打开直升机供电开关，根据冷热车状态计算油门舵机输出位置并控制油门至启动位，确认离合器为脱离状态后结束开车准备科目。
l).自动开车
图14是其流程图，接通启动机，判断发动机转速是否大于启动转速。若4秒后仍未启动则关闭启动机，等待数秒后重新启动。当发动机转速大于启动转速后，关闭启动机，调整油门至怠速位并开启转速稳定函数，由自适应PID算法控制油门舵机位置，保持发动机转速稳定在1500RPM怠速稳定，这是等待发动机和排气管温度上升，确保发动机怠速热车完成，打开发电机，并调整转速稳定函数期望转速为6000RPM，等待发动机转速由1500RPM升至6000RPM并稳定，结束自动开车科目。
m).关车准备
图15是其流程图，首先确认总距舵机已经收平，然后调整转速稳定函数期望转速为1500RPM，等待发动机转速由6000RPM降至1500RPM，发动机转速在1500RPM稳定后，进行怠速冷车，等到缸头温度和排气管温度足够低后，结束关车准备科目。
n).自动关车
图16是其流程图，关闭发电机，进而关闭CDI脉冲发生器供电已关闭发动机，并监控发动机转速确认熄火成功，结束自动关车科目。
o).转速稳定函数
图17是其流程图，前馈量针对总距变化时引起的较大的系统变化，通过大量的测试得到一条总距输出与油门舵机输出变化的曲线，使油门可以在总距输出变化的同时即可做出即时的响应，避免控制的滞后。除PID三项参数根据发动机不同工况需要自适应外，其计算本身与传统PID控制算法无异。
本发明通过以上介绍的硬件与软件设计，解决了直升机无人化改装中的一些关键性工程问题，包括发动机转速采集、发动机性能变化较大导致自动控制困难、原有人平台需要借助大量飞行员经验方可操作等，对于直升机平台无人化改装具有极大的价值。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种直升机无人化改装中的发动机自动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.使用多种类型数据源加滤波融合算法对直升机发动机进行转速采集；
S2.对步骤S1得到的多组转速采集数据加权平均并通过滤波函数计算得到发动机转速RPMeng；
S3.利用传感器采集气缸头温度和大气环境温度，对比温度差判断当前状态为冷车或热车，通过发动机软件控制科目和发动机转速判断当前状态是怠速、结合、分离或全转速，进而区分判断出直升机发动机的工况为冷车怠速、热车怠速、旋翼结合/分离过程和全转速中哪一种；
S4.在步骤S3中各工况下进行PID调参测试，得到相对应的PID参数；
S5.在直升机发动机控制软件程序编写中，根据发动机软件控制科目和当前工况调用相对应的PID参数进行自动控制运算，从而实现直升机发动机的自动控制。
2.根据权利要求1所述的一种直升机无人化改装中的发动机自动控制方法，其特征在于，步骤S1中所述数据源的转速采集包括以下类型：
a)对发动机CDI脉冲发生器进行信号采集并计算出发动机转速RPMcdi；
b)对发动机传动轴进行信号采集并计算出发动机转速RPMc；
c)对旋翼桨盘进行信号采集并计算出发动机转速RPMr。
3.根据权利要求2所述的一种直升机无人化改装中的发动机自动控制方法，其特征在于，
步骤S2中a)的采集方式为使用三极管和光耦处理发动机自身脉冲发生器产生的电信号，再由单片机采集，通过单位时间内电信号的触发频率来计算活塞往复周期，进而得到发动机转速RPMcdi；
步骤S2中b)的采集方式为在发动机传动轴轴向等间距加装多个磁钢，在磁钢径向加装霍尔传感器，利用磁钢经过霍尔传感器探头时激发传感器输出电信号，通过三极管和光耦处理后发送给单片机采集，通过单位时间内触发的信号量计算得到发动机转速RPMc；
步骤S2中c)的采集方式为在主旋翼桨盘下方加装电感式接近传感器，在主旋翼桨靠近电感式接近传感器探头时激发传感器产生高电平信号，通过三极管和光耦处理后发送给单片机采集，通过单位时间内触发的信号量计算得到发动机转速RPMr。
4.根据权利要求2所述的一种直升机无人化改装中的发动机自动控制方法，其特征在于，所述发动机转速RPMeng由以下公式计算得到：
RPMbeg=k1·RPMcdi+k2·RPMc+k3·k4·RPMr
其中k4表示减速比，k1，k2，k3分别表示三种转速采集值的权重比；
再将RPMbeg带入滤波函数，计算得到发动机转速RPMeng。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种直升机无人化改装中的发动机自动控制方法，其特征在于，步骤S5中所述直升机发动机控制软件程序具有以下科目及其功能：
指令判断，用于分析地面站发送的控制指令，根据当前状态作出相应的决定，防止由于地面误操作引起安全事故；
开车准备，根据当前大气温度、湿度、气压、缸头温度以及前次关车时间计算并操控油门至启动位，打开点火开关，为发动机启动做准备；
自动开车，用于控制启动机来实现发动机的点火，完成怠速热车后控制发动机转速达到全转速，进入离地起飞状态；
关车准备，用于控制发动机转速从全转速降低至怠速状态，等待气缸头温度降到关车温度；
自动关车，依次关闭发电机和CDI点火线圈，实现发动机熄火关车，并通过发动机转速监测加以判断；
指令中止，在遇到危及直升机安全的紧急情况下迅速退出当前科目；
故障监控，用于监测直升机电气系统和平台功能并将故障信息传递到地面控制站，供地面监控人员参考并作出反馈。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911187557.XA CN110836146A (zh) | 2019-11-28 | 2019-11-28 | 一种直升机无人化改装中的发动机自动控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911187557.XA CN110836146A (zh) | 2019-11-28 | 2019-11-28 | 一种直升机无人化改装中的发动机自动控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110836146A true CN110836146A (zh) | 2020-02-25 |
Family
ID=69577581
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911187557.XA Withdrawn CN110836146A (zh) | 2019-11-28 | 2019-11-28 | 一种直升机无人化改装中的发动机自动控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110836146A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112173134A (zh) * | 2020-09-25 | 2021-01-05 | 中国直升机设计研究所 | 一种三发直升机全发应急模式控制方法 |
| CN112173136A (zh) * | 2020-09-25 | 2021-01-05 | 中国直升机设计研究所 | 一种直升机用的发动机机械油门操作系统 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010076787A2 (en) * | 2008-12-30 | 2010-07-08 | Elbit Systems Ltd. | Autonomous navigation system and method for a maneuverable platform |
| WO2013000035A1 (en) * | 2011-06-29 | 2013-01-03 | Orbital Australia Pty Limited | Method of controlling operation of an unmanned aerial vehicle |
| CN105134392A (zh) * | 2015-07-21 | 2015-12-09 | 华南理工大学 | 小型无人直升机汽油发动机转速控制系统及其控制方法 |
| CN105736156A (zh) * | 2016-03-24 | 2016-07-06 | 深圳清华大学研究院 | 无人直升机发动机定转速控制方法及控制系统 |
| CN107179716A (zh) * | 2017-05-31 | 2017-09-19 | 浙江国遥地理信息技术有限公司 | 无人机航空遥感数据采集系统 |
| CN108443014A (zh) * | 2018-03-23 | 2018-08-24 | 中科灵动航空科技成都有限公司 | 用于无人机中的油电混合发电系统、油电混合式无人机 |
| CN109131928A (zh) * | 2018-09-11 | 2019-01-04 | 中国民用航空飞行学院 | 一种轻型无人机电动力系统辨识方法与装置 |
| JP2019156379A (ja) * | 2018-03-16 | 2019-09-19 | 三村 建治 | マルチコプター |
| CN110262539A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-09-20 | 深圳市道通智能航空技术有限公司 | 无人机起降控制方法、飞行控制器及无人机 |
| CN110275545A (zh) * | 2019-05-29 | 2019-09-24 | 山东智翼航空科技有限公司 | 带有智能保护功能的无人机地面控制系统 |
-
2019
- 2019-11-28 CN CN201911187557.XA patent/CN110836146A/zh not_active Withdrawn
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010076787A2 (en) * | 2008-12-30 | 2010-07-08 | Elbit Systems Ltd. | Autonomous navigation system and method for a maneuverable platform |
| WO2013000035A1 (en) * | 2011-06-29 | 2013-01-03 | Orbital Australia Pty Limited | Method of controlling operation of an unmanned aerial vehicle |
| CN105134392A (zh) * | 2015-07-21 | 2015-12-09 | 华南理工大学 | 小型无人直升机汽油发动机转速控制系统及其控制方法 |
| CN105736156A (zh) * | 2016-03-24 | 2016-07-06 | 深圳清华大学研究院 | 无人直升机发动机定转速控制方法及控制系统 |
| CN107179716A (zh) * | 2017-05-31 | 2017-09-19 | 浙江国遥地理信息技术有限公司 | 无人机航空遥感数据采集系统 |
| JP2019156379A (ja) * | 2018-03-16 | 2019-09-19 | 三村 建治 | マルチコプター |
| CN108443014A (zh) * | 2018-03-23 | 2018-08-24 | 中科灵动航空科技成都有限公司 | 用于无人机中的油电混合发电系统、油电混合式无人机 |
| CN109131928A (zh) * | 2018-09-11 | 2019-01-04 | 中国民用航空飞行学院 | 一种轻型无人机电动力系统辨识方法与装置 |
| CN110275545A (zh) * | 2019-05-29 | 2019-09-24 | 山东智翼航空科技有限公司 | 带有智能保护功能的无人机地面控制系统 |
| CN110262539A (zh) * | 2019-07-05 | 2019-09-20 | 深圳市道通智能航空技术有限公司 | 无人机起降控制方法、飞行控制器及无人机 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112173134A (zh) * | 2020-09-25 | 2021-01-05 | 中国直升机设计研究所 | 一种三发直升机全发应急模式控制方法 |
| CN112173136A (zh) * | 2020-09-25 | 2021-01-05 | 中国直升机设计研究所 | 一种直升机用的发动机机械油门操作系统 |
| CN112173134B (zh) * | 2020-09-25 | 2023-03-03 | 中国直升机设计研究所 | 一种三发直升机全发应急模式控制方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6913106B2 (ja) | 航空機乗務員自動化システム及び方法 | |
| CN105302043B (zh) | 一种无人机的安全控制方法 | |
| US20130197739A1 (en) | Methods and systems for aircraft health and trend monitoring | |
| US20140136028A1 (en) | Avionics Method and Apparatus | |
| CN108045596A (zh) | 一种固定翼无人机的飞行性能检验检测系统及方法 | |
| JP6302544B2 (ja) | 補助電源ユニット障害を診断するための方法 | |
| US20140309820A1 (en) | Methods and systems for requesting and retrieving aircraft data during flight of an aircraft | |
| CN110836146A (zh) | 一种直升机无人化改装中的发动机自动控制方法 | |
| EP3246780B1 (en) | System and method for operational phase detection | |
| EP3378784A1 (en) | System and method for optimization of aircraft fuel economy in real-time | |
| JP2002510583A (ja) | 有人及び無人航空機用のシングルレバー式動力制御器 | |
| CN106444839B (zh) | 无人机高压电缆自动巡线系统 | |
| CN105741381A (zh) | 一种确定飞机飞参记录参数集合的方法 | |
| CN106970642A (zh) | 一种多旋翼无人机状态监测装置 | |
| JP2017523089A (ja) | 飛行中の航空機周辺の圧力場を制御するシステムおよび方法 | |
| US11447272B2 (en) | Interactive electronic checklists for autonomous aircraft | |
| JP2822021B2 (ja) | 飛行体のシミュレーション方法およびシミュレーション装置 | |
| CN112947378B (zh) | 基于无人机搭载平台的涡喷发动机容错试验系统及方法 | |
| EP4006317A1 (en) | Modeling and integrating aircraft engine installation deltas | |
| JP2017509969A (ja) | 航空機の空調システムの性能を判定するための方法 | |
| CN109375649B (zh) | 用于控制飞行器的方法和系统 | |
| CN205121292U (zh) | 一种无人机的安全控制系统 | |
| Medeiros et al. | An independent control system for testing and analysis of UAVs in indoor environments | |
| Reynolds et al. | Power System Human Machine Interfaces for the X-57 Mod II Aircraft | |
| CN109720590A (zh) | 水陆两栖飞机多发涡桨发动机启动过程的告警与指示系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20200225 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |