CN113460302A - 一种伞降无人机用发动机空中停桨控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种伞降无人机用发动机空中停桨控制系统及方法，涉及飞行器回收技术领域，能够实现快速停桨、精确控制停桨角度和位置，对降落伞实现锁定和解锁，保证停桨期间不开伞；该系统包括：螺旋桨位置传感器，用于采集螺旋桨位置数据；停桨控制器，用于对螺旋桨位置数据进行计算并控制螺旋桨变距机构、停桨伺服电机和降落伞锁定装置进行动作；螺旋桨变距机构，用于在停桨控制器的控制下改变螺旋桨的间距；停桨伺服电机，用于在停桨控制器的控制下转动，提供螺旋桨停转和/或在目标位置实现保持的制动扭矩；以及降落伞锁定装置，用于在停桨控制器的控制作用下实现降落伞的锁定和解锁。本发明提供的技术方案适用于伞降无人机回收的过程中。

Description

一种伞降无人机用发动机空中停桨控制系统及方法
技术领域
本发明涉及飞行器回收技术领域，尤其涉及一种伞降无人机用发动机空中停桨控制系统及方法。
背景技术
伞降无人机是指以降落伞为主要回收手段的无人机。在无人机完成任务后，由地面站控制发动机降速、当飞机达到回收指定的高度和飞行速度，关闭发动机并展开降落伞，使无人机在降落伞的作用下降落回收。
伞降过程中，无人机在惯性作用下继续滑翔，此时关闭发动机则螺旋桨将受到迎风阻力，在迎风阻力的推动下螺旋桨可能继续旋转数十秒甚至更长时间，并且螺旋桨停止角度不可控。此种情况极易干扰螺旋桨的正常展开，严重的可能造成降落伞缠绕无法打开，最终导致无人机坠毁的后果。因此在伞降无人机回收过程中，开发停桨控制系统使螺旋桨快速可靠停转并停留在特定角度上，对开伞控制具有重要的理论与实际工程应用价值。
因此，有必要研究一种伞降无人机用发动机空中停桨控制系统及方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种伞降无人机用发动机空中停桨控制系统及方法，能够实现快速停桨、精确控制停桨角度和位置，对降落伞实现锁定和解锁，保证停桨期间不开伞。
一方面，本发明提供一种伞降无人机用发动机空中停桨控制系统，所述控制系统包括：
螺旋桨位置传感器，用于采集螺旋桨位置数据；
停桨控制器，用于对接收的螺旋桨位置数据进行处理和计算，并控制螺旋桨变距机构、停桨伺服电机和降落伞锁定装置进行动作；
螺旋桨变距机构，用于在停桨控制器的控制作用下对螺旋桨的位置进行改变；这里的位置包括桨距以及螺旋桨的角度等与螺旋桨工作位置相关的参量；
停桨伺服电机，用于在停桨控制器的控制作用下转动，提供螺旋桨停转和/或在目标位置实现保持的制动扭矩；
以及降落伞锁定装置，用于在停桨控制器的控制作用下实现降落伞的锁定和解锁。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，停桨控制器控制螺旋桨变距机构动作的信号包括但不限于电压信号、PWM信号。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，停桨控制器控制停桨伺服电机动作的信号包括但不限于直流、三相交流电。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，螺旋桨位置传感器为霍尔式位置传感器。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，螺旋桨变距机构和停桨伺服电机设置在同一个轴上，停桨伺服电机通过向该轴施加与螺旋桨变距机构相反的扭矩促使螺旋桨停转和/或保持在目标位置。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，停桨控制器对螺旋桨位置数据进行处理和计算的具体内容包括：根据螺旋桨位置数据计算出螺旋桨的转速和当前位置；
停桨控制器根据螺旋桨的转速、当前位置和目标位置对停桨伺服电机进行控制。
另一方面，本发明提供一种伞降无人机用发动机空中停桨控制方法，所述方法的步骤包括：
S1、停桨控制器接收到来自外部的停桨指令后，发出降落伞锁定信号控制降落伞锁定装置的动作，实现对降落伞的锁定；
S2、停桨控制器发出桨距变更信号控制螺旋桨变距机构动作，实现螺旋桨间距的改变；
S3、停桨控制器根据螺旋桨位置数据计算螺旋桨的转速和当前位置，并根据螺旋桨的转速、当前位置和目标位置控制停桨伺服电机产生用于促使螺旋桨停转和/或在目标位置实现保持的制动扭矩；
S4、停桨控制器发出降落伞解锁信号控制降落伞锁定装置的动作，实现对降落伞的解锁；
步骤S2和S3顺序不固定。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，螺旋桨位置数据包括螺旋桨角度和螺旋桨0度标识信息；根据相邻两次采集的螺旋桨位置数据计算螺旋桨的转速。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，降落伞锁定装置通过对降落伞仓的锁定和解锁实现对降落伞的锁定和解锁，以保证降落伞在停桨过程中不开伞。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，螺旋桨位置数据采用霍尔式位置传感器进行采集(霍尔式位置传感器采集的直接数据是齿号，然后通过计算转化成角度；前面的螺旋桨0度标识信息具体是指霍尔式位置传感器的缺齿位置)；
步骤S3中计算螺旋桨转速的方式为：
Speed＝60*(N2-N1)/(n*Ts)；
其中，Speed为螺旋桨转速，单位为rpm；
N1、N2分别为相邻两次采样所获得的螺旋桨对应齿号，以缺齿处为基准，当遇到缺齿时进行清零(也就是螺旋桨0度标识信息的内容)；
n为齿数；
Ts为系统采样周期，单位为s。
本发明的控制系统和控制方法可以应用于活塞发动机。
与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：通过停桨伺服电机的制动扭矩，能够实现快速停桨，精确控制停桨角度；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果:通过停桨伺服电机对桨轴施加的反向扭矩，能够抵消迎风推动力，实现螺旋桨在目标位置的锁定；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果:通过降落伞锁定装置对降落伞实现锁定和解锁，保证停桨期间不开伞。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的伞降无人机用发动机空中停桨控制系统的原理框图；
图2是本发明一个实施例提供的伞降无人机用发动机空中停桨控制系统的螺旋桨位置信号图；
图3是本发明一个实施例提供的伞降无人机用发动机空中停桨控制方法流程图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
针对现有技术的不足，本发明为伞降无人机用航空活塞发动机的回收停桨过程提供一种控制系统及控制方法，该方法通过螺旋桨变距减小迎风阻力，通过停桨伺服电机提供停桨制动阻力，停桨控制器根据实时采集的螺旋桨位置信号控制螺旋桨停在特定角度，当确定螺旋桨停转后再允许降落伞的开伞动作。
图1所示是控制系统的原理框图，控制系统包括螺旋桨位置传感器、停桨控制器、螺旋桨变距机构(即附图中的变距螺旋桨)、停桨伺服电机和降落伞锁定装置。
停桨控制器收到停桨指令后输出锁定指令，使降落伞锁定装置锁紧降落伞仓扣。然后停桨控制器输出电压信号驱动螺旋桨变距机构改变桨距，使螺旋桨迎风推力变小。同时，螺旋桨位置传感器采集螺旋桨的位置信息传入停桨控制器，停桨控制器首先对信号进行处理，实时计算螺旋桨转速，并以缺齿位置为基点确定螺旋桨的角度位置。位置信号如图2所示，转速计算方法如式1。
Speed＝60*(N2-N1)/(n*Ts) (1)
Speed为螺旋桨转速，单位rpm；
N1、N2分别为相邻两次采样所获得的齿号，以缺齿处为基准，当遇到缺齿时进行清零；
n为齿数，本例中取60齿(59齿+1缺齿)；
Ts为系统采样周期，单位为秒。
停桨控制器根据螺旋桨转速驱动停桨伺服电机输出与螺旋桨旋转方向相反的力矩，根据反馈的转速信息进行PI调节，直至螺旋桨转速降至0。
当转速降至0后，根据最后一次计算的角度信息与螺旋桨目标停止位置角度信息(齿数)进行比较，将螺旋桨按原旋转方向转过相差的角度，使得螺旋桨停止在目标角度。到达此位置后继续持续采集位置信号并施加反向扭矩以抵消螺旋桨迎风推力，保证螺旋桨停止在目标位置。停桨控制器释放降落伞锁定装置，解锁降落伞仓扣，可以进行下一步开伞操作。
作为本发明的一个实施例，停桨动作前锁紧降落伞仓；采集螺旋桨位置信号，以位置信号计算螺旋桨转速；驱动螺旋桨变距机构改变桨距，使迎风推力减小；采用转速反馈调节螺旋桨转速至0；驱动螺旋桨至目标角度位置并施加反扭矩保持位置；停桨动作完成后解锁降落伞仓。螺旋桨变距机构、停桨伺服电机与航空活塞发动机同轴机械连接，停桨控制器与螺旋桨位置传感器、螺旋桨变距机构、停桨伺服电机、降落伞锁定装置电连接；停桨控制器具有处理螺旋桨位置信号、驱动螺旋桨变距机构改变桨距、驱动伺服电机转动、控制降落伞锁定装置的锁紧和解锁功能。在进行停桨控制动作前，先由降落伞锁定装置对降落伞仓进行锁定，停桨控制动作后，降落伞锁定装置对降落伞仓进行解锁，以保证在螺旋桨停桨动作过程中降落伞不会展开。螺旋桨位置信号携带螺旋桨角度和螺旋桨0度标识信息，信号类型包括但不限于脉冲式缺齿信号、正弦型缺齿信号。螺旋桨转速计算方法为相邻两个采样采到的齿数差与采样周期的比值，采用公式(1)计算，当遇缺齿时齿数清零重计。停桨动作分为改变桨距、螺旋桨停转、螺旋桨定位至目标角度、反扭矩锁定角度四个步骤。改变桨距由停桨控制器驱动螺旋桨变距机构实现，驱动信号包括但不限于电压信号、PWM信号；螺旋桨停转由停桨控制器驱动停桨伺服电机实现，驱动信号包括但不限于直流、三相交流电；螺旋桨定位至目标角度，由停桨控制器根据螺旋桨现有位置与目标位置的偏差来驱动伺服电机实现；反扭矩锁定角度由停桨控制器驱动停桨伺服电机施加在轴上。
本发明控制流程图如图3所示，其中对于角度信号的采集，内部使用ECT中断进行处理。本发明控制方法的步骤包括：
步骤1：发动机熄火，停桨控制器接收到来自外部的停桨指令，发出降落伞锁定信号，降落伞锁定装置启动，禁止降落伞在正常状况下的展开动作；
步骤2：螺旋桨变距机构在停桨控制器驱动下改变桨距，减小迎风推力；
步骤3：停桨控制器采集螺旋桨位置信号，获得螺旋桨实时位置并计算转速；
步骤4：停桨控制器驱动停桨伺服电机在发动机输出轴(桨轴)上施加制动扭矩，促使螺旋桨迅速停止转动；
步骤5：当螺旋桨转速降至0后伺服电机驱动螺旋桨旋转至指定角度，并持续输出反向扭矩，以抵消迎风推动力，锁定螺旋桨；
步骤6：当螺旋桨停在满足要求的位置后，停桨控制器发出解锁指令，降落伞锁定装置解锁，系统进行下一步开伞操作。
本发明的特点包括：通过变距和伺服电机两种方法共同改变轴上扭矩，使螺旋桨能快速停转；采集螺旋桨位置信号，根据信号反馈精确控制螺旋桨停止位置；螺旋桨停转与降落伞展开步骤级联，保证正常状况下停桨后再开伞。
以上对本申请实施例所提供的一种伞降无人机用发动机空中停桨控制系统及方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，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商品或者系统不仅包括那些要素，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商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种伞降无人机用发动机空中停桨控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：
螺旋桨位置传感器，用于采集螺旋桨位置数据；
停桨控制器，用于对接收的螺旋桨位置数据进行处理和计算，并控制螺旋桨变距机构、停桨伺服电机和降落伞锁定装置进行动作；
螺旋桨变距机构，用于在停桨控制器的控制作用下对螺旋桨的位置进行改变；
停桨伺服电机，用于在停桨控制器的控制作用下转动，提供螺旋桨停转和/或在目标位置实现保持的制动扭矩；
以及降落伞锁定装置，用于在停桨控制器的控制作用下实现降落伞的锁定和解锁。
2.根据权利要求1所述的伞降无人机用发动机空中停桨控制系统，其特征在于，停桨控制器控制螺旋桨变距机构动作的信号包括但不限于电压信号、PWM信号。
3.根据权利要求1所述的伞降无人机用发动机空中停桨控制系统，其特征在于，停桨控制器控制停桨伺服电机动作的信号包括但不限于直流、三相交流电。
4.根据权利要求1所述的伞降无人机用发动机空中停桨控制系统，其特征在于，螺旋桨位置传感器为霍尔式位置传感器。
5.根据权利要求1所述的伞降无人机用发动机空中停桨控制系统，其特征在于，螺旋桨变距机构和停桨伺服电机设置在同一个轴上，停桨伺服电机通过向该轴施加与螺旋桨变距机构相反的扭矩促使螺旋桨停转和/或保持在目标位置。
6.根据权利要求1所述的伞降无人机用发动机空中停桨控制系统，其特征在于，停桨控制器对螺旋桨位置数据进行处理和计算的具体内容包括：根据螺旋桨位置数据计算出螺旋桨的转速和当前位置；
停桨控制器根据螺旋桨的转速、当前位置和目标位置对停桨伺服电机进行控制。
7.一种伞降无人机用发动机空中停桨控制方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：
S1、停桨控制器接收到来自外部的停桨指令后，发出降落伞锁定信号控制降落伞锁定装置的动作，实现对降落伞的锁定；
S2、停桨控制器发出桨距变更信号控制螺旋桨变距机构动作，实现螺旋桨间距的改变；
S3、停桨控制器根据螺旋桨位置数据计算螺旋桨的转速和当前位置，并根据螺旋桨的转速、当前位置和目标位置控制停桨伺服电机产生用于促使螺旋桨停转和/或在目标位置实现保持的制动扭矩；
S4、停桨控制器发出降落伞解锁信号控制降落伞锁定装置的动作，实现对降落伞的解锁；
步骤S2和S3顺序不固定。
8.根据权利要求7所述的伞降无人机用发动机空中停桨控制方法，其特征在于，螺旋桨位置数据包括螺旋桨角度和螺旋桨0度标识信息；根据相邻两次采集的螺旋桨位置数据计算螺旋桨的转速。
9.根据权利要求7所述的伞降无人机用发动机空中停桨控制方法，其特征在于，降落伞锁定装置通过对降落伞仓的锁定和解锁实现对降落伞的锁定和解锁，以保证降落伞在停桨过程中不开伞。
10.根据权利要求8所述的伞降无人机用发动机空中停桨控制方法，其特征在于，螺旋桨位置数据采用霍尔式位置传感器进行采集；
步骤S3中计算螺旋桨转速的方式为：
Speed＝60*(N2-N1)/(n*Ts)；
其中，Speed为螺旋桨转速，单位为rpm；
N1、N2分别为相邻两次采样所获得的螺旋桨对应齿号，以缺齿处为基准，当遇到缺齿时进行清零；
n为齿数；
Ts为系统采样周期，单位为s。
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