小型無人直升機(jī)汽油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種運(yùn)用自動控制原理對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的技術(shù)，特別涉及一種 小型無人直升機(jī)汽油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)及其控制方法，本發(fā)明適用于小型無人直升機(jī)汽 油發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，設(shè)計轉(zhuǎn)速測量、數(shù)據(jù)通訊、控制信號輸出等電子系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前投入使用的?。ㄎⅲ┬蜔o人直升機(jī)大都使用電力驅(qū)動，這是因為電動無人機(jī) 的結(jié)構(gòu)相對簡單，控制器設(shè)計可操作性強(qiáng)，且電動發(fā)動機(jī)對通訊系統(tǒng)的干擾比較小。受制于 其動力系統(tǒng)有限的功率，這類直升機(jī)往往無法提供較大的有效載荷，且其滯空時間、有效航 程受到很大的限制。所以，在執(zhí)行遠(yuǎn)距離、長航時、大載荷的飛行任務(wù)時，汽油發(fā)動機(jī)驅(qū)動的 無人直升機(jī)便成了合適的選擇。汽油發(fā)動機(jī)不僅能夠提供更為強(qiáng)勁的動力，而且能夠保證 直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速在惡劣氣象條件下的穩(wěn)定性，免去了電動發(fā)動機(jī)的電池維護(hù)工作，提升了 飛機(jī)的出勤效率。
[0003] 無人機(jī)功能的實現(xiàn)依賴于一套可靠的飛行控制系統(tǒng)，然而，汽油發(fā)動機(jī)引入了一 系列的電磁干擾，影響飛控系統(tǒng)的可靠性。汽油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性較差，會導(dǎo)致無人直升機(jī) 飛行穩(wěn)定性變差。在直升機(jī)的飛行過程中，載荷的變化、氣象條件的改變、飛機(jī)自身的機(jī)動 動作都會改變汽油發(fā)動機(jī)的負(fù)載，從而會對汽油發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速造成影響。此時，必須施加一 定的控制信號來穩(wěn)定汽油發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，才能穩(wěn)定直升機(jī)的飛行狀態(tài)。當(dāng)前國內(nèi)外對于無 人機(jī)載汽油發(fā)動機(jī)的研究成果有限，實用于無人直升機(jī)載汽油機(jī)的控制系統(tǒng)比較少，由此 可見，為了使汽油發(fā)動機(jī)對直升機(jī)控制的影響最小化，需要針對汽油發(fā)動機(jī)設(shè)計一個獨立 的控制器，使其能夠為直升機(jī)提供穩(wěn)定的動力輸出。本發(fā)明的小型無人直升機(jī)汽油發(fā)動機(jī) 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，適用于20公斤級載荷的小型無人直升機(jī)，它的兼容性強(qiáng)、可擴(kuò)展性高、穩(wěn)定 可靠。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提出一種小型無人直升機(jī)汽 油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)是一種穩(wěn)定性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、易于實現(xiàn)的小型無人直 升機(jī)汽油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種控制小型無人直升機(jī)汽油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系 統(tǒng)的控制方法。
[0006] 本發(fā)明的首要目的采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0007] -種小型無人直升機(jī)汽油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)速測量模塊、核心控制器 模塊、控制信號執(zhí)行模塊和電源管理模塊；所述轉(zhuǎn)速測量模塊包括轉(zhuǎn)速信號采集模塊、轉(zhuǎn)速 計算模塊、數(shù)據(jù)處理模塊；所述控制信號執(zhí)行模塊包括4017分頻器、伺服舵機(jī)模塊；
[0008] 轉(zhuǎn)速信號采集模塊通過轉(zhuǎn)速計算模塊的外部信號輸入捕獲接口與轉(zhuǎn)速計算模塊 的AVR處理器芯片相連，轉(zhuǎn)速計算模塊通過URAT通訊協(xié)議與核心控制器模塊通訊，在轉(zhuǎn)速 計算模塊與核心控制器模塊通訊的過程中，需要數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波、融合處理，核 心控制器模塊向控制信號執(zhí)行模塊輸出5v制式的PffM信號，電源管理模塊則為所有的模塊 提供穩(wěn)定的電源支持；
[0009] 轉(zhuǎn)速信號采集模塊將發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速信息轉(zhuǎn)換成脈沖信號，通過定時器Tl的輸入 捕獲接口接入轉(zhuǎn)速計算模塊的AVR處理器，轉(zhuǎn)速計算模塊識別脈沖信號，并計算出對應(yīng)的 轉(zhuǎn)速值，轉(zhuǎn)速值需要經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊的濾波處理，然后按照特有的方式與GPS模塊數(shù)據(jù) 融合，經(jīng)過串口發(fā)送給核心控制器模塊的DEBUG接口，數(shù)據(jù)經(jīng)過核心控制器模塊的解析分 別得到GPS模塊數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)作為反饋信息給到核心控制器上的轉(zhuǎn)速控制算 法，轉(zhuǎn)速控制算法將轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)與給定值數(shù)據(jù)對比后計算出控制信號的PWM值，經(jīng)過4017分 頻器的處理將控制信號輸出給伺服舵機(jī)，進(jìn)而控制發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。
[0010] 優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)速信號采集模塊的脈沖傳感器，具有硬件濾波、對抗外部高頻電磁 干擾的能力。
[0011] 優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)速信號的傳輸方式，在接入AVR處理器之前所設(shè)計的功率放大處 理電路，轉(zhuǎn)速信號在AVR處理器中的識別方法以及計算轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的方法。
[0012] 優(yōu)選的，所述初始轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的處理方法，轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)與GPS模塊數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)格 式以及數(shù)據(jù)的傳輸方法、傳輸速度，數(shù)據(jù)在核心處理器上的解析方法。
[0013] 優(yōu)選的，所述的核心控制器模塊包括ARM處理器模塊，接口轉(zhuǎn)換模塊、氣壓傳感器 模塊、三軸陀螺儀模塊、I/O接口模塊。
[0014] 優(yōu)選的，所述的電源管理模塊由兩個輸出能力為3A的開關(guān)電源芯片構(gòu)成，為整個 發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)提供5V和3. 3V兩種電壓，具有電平轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓輸出、短路隔離的功能。
[0015] 本發(fā)明的另一個目通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0016] -種控制所述小型無人直升機(jī)汽油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的控制方法，包括下述步 驟：
[0017] 步驟1、汽油發(fā)動機(jī)每旋轉(zhuǎn)一圈都會產(chǎn)生一個高壓的脈沖信號，轉(zhuǎn)速信號采集模塊 采集到該脈沖信號，信號采集模塊中的傳感器硬件集成了濾波器，將脈沖信號的噪聲濾除， 得到較為理想的脈沖信號，該脈沖信號經(jīng)過放大器進(jìn)行功率放大，經(jīng)AVR處理器的定時器 Tl的外部捕獲接口接入轉(zhuǎn)速計算模塊。
[0018] 步驟2、轉(zhuǎn)速計算模塊中的AVR處理器識別轉(zhuǎn)速脈沖信號，并在捕獲信號時用定時 器Tl做時間標(biāo)記，然后用T法計算出轉(zhuǎn)速值；初始的轉(zhuǎn)速值因高頻噪聲干擾會產(chǎn)生非周期 性的跳變，使用中位值窗口濾波處理初始轉(zhuǎn)速值；在整個飛控系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速計算模塊又承擔(dān) 著GPS模塊數(shù)據(jù)的接收轉(zhuǎn)發(fā)功能，轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)需要與GPS模塊數(shù)據(jù)融合后發(fā)送給核心控制器 豐吳塊；
[0019] 步驟3、核心控制器模塊接收到融合后的數(shù)據(jù)后，通過解析算法，分別解析出GPS 模塊數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，GPS模塊數(shù)據(jù)用于直升機(jī)飛行狀態(tài)的計算，轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)用于控制信號的 計算；
[0020] 步驟4、轉(zhuǎn)速控制器采用經(jīng)典的PID控制算法，所述PID控制算法以軟件形式在核 心控制器模塊中實現(xiàn)，經(jīng)過計算給定轉(zhuǎn)速值與測量轉(zhuǎn)速值之間的差值，得出控制信號，以達(dá) 到最終消除差值的效果；
[0021] 步驟5、所述核心控制器模塊中的轉(zhuǎn)速控制算法計算得到控制信號，以PffM值的形 式輸出給所述控制信號執(zhí)行模塊中的4017分頻器模塊，經(jīng)過分頻器的處理，從第五通道輸 出給伺服舵機(jī)，伺服舵機(jī)按照控制信號做出相應(yīng)動作，帶動發(fā)動機(jī)節(jié)氣門，節(jié)氣門的開度產(chǎn) 生相應(yīng)的變化，改變發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。
[0022] 優(yōu)選的，步驟2中，T法測轉(zhuǎn)速是一種通過測量兩個相鄰脈沖之間時間間隔來推算 轉(zhuǎn)速值的方法，AVR處理器的晶振頻率越高，這種方法得到的數(shù)據(jù)就越準(zhǔn)確；根據(jù)圖1中的 定時器計數(shù)值T。便可以根據(jù)時鐘頻率f t進(jìn)一步得到兩個脈沖之間的時間，從而計算出轉(zhuǎn)速 (單位rpm)，轉(zhuǎn)速的計算公式為
[0023] 使用SMhz晶振就可以滿足汽油發(fā)動機(jī)的測速要求沖位值窗口濾波可以有效濾 除轉(zhuǎn)速測量中的無效值，選取窗口長度為6的濾波方法即能保證濾波效果，又能避免造成 過大的延時。
[0024] 優(yōu)選的，步驟3中，轉(zhuǎn)速測量模塊與核心控制器模塊按照UART協(xié)議建立通訊，數(shù)據(jù) 的解