CN105134392A

CN105134392A - 小型无人直升机汽油发动机转速控制***及其控制方法

Info

Publication number: CN105134392A
Application number: CN201510430811.XA
Authority: CN
Inventors: 赵松涛; 裴海龙
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2035-07-21
Also published as: CN105134392B

Abstract

本发明公开了一种小型无人直升机汽油发动机转速控制***，包括转速测量模块、核心控制器模块、控制信号执行模块、电源管理模块；所述转速测量模块包括转速信号采集模块、转速计算模块、数据处理模块；本发明还公开一种小型无人直升机汽油发动机转速控制***的控制方法，包括以下步骤：1、发动机每旋转一圈就产生一个高压脉冲信号，高压脉冲信号经过转速信号采集模块中的定时器的外部捕获接口接入转速计算模块；2、用T法计算出发动机的转速值；3、分别解析出融合后的转速数据和GPS模块的数据；4、转速控制算法计算设定的转速值与测量转速值之间的差值；5、改变发动机的转速。具有良好的可扩展性和广泛的兼容性等优点。

Description

小型无人直升机汽油发动机转速控制***及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种运用自动控制原理对发动机转速进行控制的技术，特别涉及一种小型无人直升机汽油发动机转速控制***及其控制方法，本发明适用于小型无人直升机汽油发动机的转速控制，设计转速测量、数据通讯、控制信号输出等电子***。

背景技术

当前投入使用的小(微)型无人直升机大都使用电力驱动，这是因为电动无人机的结构相对简单，控制器设计可操作性强，且电动发动机对通讯***的干扰比较小。受制于其动力***有限的功率，这类直升机往往无法提供较大的有效载荷，且其滞空时间、有效航程受到很大的限制。所以，在执行远距离、长航时、大载荷的飞行任务时，汽油发动机驱动的无人直升机便成了合适的选择。汽油发动机不仅能够提供更为强劲的动力，而且能够保证直升机旋翼转速在恶劣气象条件下的稳定性，免去了电动发动机的电池维护工作，提升了飞机的出勤效率。

无人机功能的实现依赖于一套可靠的飞行控制***，然而，汽油发动机引入了一系列的电磁干扰，影响飞控***的可靠性。汽油发动机转速稳定性较差，会导致无人直升机飞行稳定性变差。在直升机的飞行过程中，载荷的变化、气象条件的改变、飞机自身的机动动作都会改变汽油发动机的负载，从而会对汽油发动机的转速造成影响。此时，必须施加一定的控制信号来稳定汽油发动机的转速，才能稳定直升机的飞行状态。当前国内外对于无人机载汽油发动机的研究成果有限，实用于无人直升机载汽油机的控制***比较少，由此可见，为了使汽油发动机对直升机控制的影响最小化，需要针对汽油发动机设计一个独立的控制器，使其能够为直升机提供稳定的动力输出。本发明的小型无人直升机汽油发动机转速控制***，适用于20公斤级载荷的小型无人直升机，它的兼容性强、可扩展性高、稳定可靠。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种小型无人直升机汽油发动机转速控制***，该控制***是一种稳定性高、可扩展性强、易于实现的小型无人直升机汽油发动机转速控制***。

本发明的另一个目的在于，提供一种控制小型无人直升机汽油发动机转速控制***的控制方法。

本发明的首要目的采用以下技术方案实现：

一种小型无人直升机汽油发动机转速控制***，包括转速测量模块、核心控制器模块、控制信号执行模块和电源管理模块；所述转速测量模块包括转速信号采集模块、转速计算模块、数据处理模块；所述控制信号执行模块包括4017分频器、伺服舵机模块；

转速信号采集模块通过转速计算模块的外部信号输入捕获接口与转速计算模块的AVR处理器芯片相连，转速计算模块通过URAT通讯协议与核心控制器模块通讯，在转速计算模块与核心控制器模块通讯的过程中，需要数据处理模块进行数据滤波、融合处理，核心控制器模块向控制信号执行模块输出5v制式的PWM信号，电源管理模块则为所有的模块提供稳定的电源支持；

转速信号采集模块将发动机的转速信息转换成脉冲信号，通过定时器T1的输入捕获接口接入转速计算模块的AVR处理器，转速计算模块识别脉冲信号，并计算出对应的转速值，转速值需要经过数据处理模块的滤波处理，然后按照特有的方式与GPS模块数据融合，经过串口发送给核心控制器模块的DEBUG接口，数据经过核心控制器模块的解析分别得到GPS模块数据和转速数据，转速数据作为反馈信息给到核心控制器上的转速控制算法，转速控制算法将转速数据与给定值数据对比后计算出控制信号的PWM值，经过4017分频器的处理将控制信号输出给伺服舵机，进而控制发动机的转速。

优选的，所述转速信号采集模块的脉冲传感器，具有硬件滤波、对抗外部高频电磁干扰的能力。

优选的，所述转速信号的传输方式，在接入AVR处理器之前所设计的功率放大处理电路，转速信号在AVR处理器中的识别方法以及计算转速数据的方法。

优选的，所述初始转速数据的处理方法，转速数据与GPS模块数据融合的数据格式以及数据的传输方法、传输速度，数据在核心处理器上的解析方法。

优选的，所述的核心控制器模块包括ARM处理器模块，接口转换模块、气压传感器模块、三轴陀螺仪模块、I/O接口模块。

优选的，所述的电源管理模块由两个输出能力为3A的开关电源芯片构成，为整个发动机控制***提供5V和3.3V两种电压，具有电平转换、稳压输出、短路隔离的功能。

本发明的另一个目通过以下技术方案实现：

一种控制所述小型无人直升机汽油发动机转速控制***的控制方法，包括下述步骤：

步骤1、汽油发动机每旋转一圈都会产生一个高压的脉冲信号，转速信号采集模块采集到该脉冲信号，信号采集模块中的传感器硬件集成了滤波器，将脉冲信号的噪声滤除，得到较为理想的脉冲信号，该脉冲信号经过放大器进行功率放大，经AVR处理器的定时器T1的外部捕获接口接入转速计算模块。

步骤2、转速计算模块中的AVR处理器识别转速脉冲信号，并在捕获信号时用定时器T1做时间标记，然后用T法计算出转速值；初始的转速值因高频噪声干扰会产生非周期性的跳变，使用中位值窗口滤波处理初始转速值；在整个飞控***中，转速计算模块又承担着GPS模块数据的接收转发功能，转速数据需要与GPS模块数据融合后发送给核心控制器模块；

步骤3、核心控制器模块接收到融合后的数据后，通过解析算法，分别解析出GPS模块数据和转速数据，GPS模块数据用于直升机飞行状态的计算，转速数据用于控制信号的计算；

步骤4、转速控制器采用经典的PID控制算法，所述PID控制算法以软件形式在核心控制器模块中实现，经过计算给定转速值与测量转速值之间的差值，得出控制信号，以达到最终消除差值的效果；

步骤5、所述核心控制器模块中的转速控制算法计算得到控制信号，以PWM值的形式输出给所述控制信号执行模块中的4017分频器模块，经过分频器的处理，从第五通道输出给伺服舵机，伺服舵机按照控制信号做出相应动作，带动发动机节气门，节气门的开度产生相应的变化，改变发动机的转速。

优选的，步骤2中，T法测转速是一种通过测量两个相邻脉冲之间时间间隔来推算转速值的方法，AVR处理器的晶振频率越高，这种方法得到的数据就越准确；根据图1中的定时器计数值T_c便可以根据时钟频率f_t进一步得到两个脉冲之间的时间，从而计算出转速(单位rpm)，转速的计算公式为

使用8Mhz晶振就可以满足汽油发动机的测速要求；中位值窗口滤波可以有效滤除转速测量中的无效值，选取窗口长度为6的滤波方法即能保证滤波效果，又能避免造成过大的延时。

优选的，步骤3中，转速测量模块与核心控制器模块按照UART协议建立通讯，数据的解析是通过匹配数据的报文解决的，每种类型的数据都对应唯一的报文，报文比对成功则更新数据所在的数组；每一组数据包的格式为：

$GPGGA,data,$GPVTG,data,$HMC,data,$SPEED,data。

数据包共分为四部分，每个部分都有一个报头用于识别数据段的类型，其中前两个部分为GPS传感器数据，第三部分为compass数据，最后一部分为发动机转速数据。数据被核心控制器模块中的ARM处理器接收后再经过数据解析便可以分别得到GPS模块、compass和发动机转速数据。

优选的，步骤4中，核心控制器模块所采用的控制算法为PID控制算法，一个标准的PID控制算法如公式：

u (t) = K_{p} e (t) + K_{i} {&Integral;}_{0}^{t} e (τ) d τ + K_{d} \frac{d e (t)}{d t} .

输出y(t)的测量值会受到传感器噪声的影响，同时***会受到外界干扰d(t)的影响，误差信号e(t)由给定输入y_ref(t)和输出值y(t)作差值而得，e(t)经过比例环节、积分环节、微分环节的计算再求和，便得到了控制信号u(t)。

本发明的原理：本发明包括发动机转速信号的读取方法、发动机转速的计算方法、转速数据的整合传输、转速控制器设计、控制信号的计算输出，通过设计相关电子***的软硬件部分、改进现有飞控***的组成实现了转速控制的功能，并将该***集成于当前使用的飞控***中，实现了发动机的恒转速控制。本发明的发动机转速控制***既实现了发动机的定速功能，优化了汽油发动机驱动时直升机的飞行稳定性，同时扩大了可定速的范围，可动态调节定速值，具有良好的可扩展性和广泛的兼容性

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明构建了小型无人直升机汽油发动机转速控制***，实现了直升机汽油发动机的转速控制功能，增强了直升机的飞行稳定性，具有实时性好、集成度高、成本低、可靠性高等优点。

2、本发明自主设计了转速控制***的软硬件***，发动机的模型辨识方法，发动机控制器参数的优化方法，数据通讯方法。提供了一整套设计汽油发动机转速控制***的具体方法。

3、本发明克服了原***定速范围小、定速值不能实时调节的缺点，在较大范围内实现了汽油发动机的恒转速控制，并可实时调整定速值。

4、本发明的电子***依托飞控***进行设计，与整套飞控***完美兼容，提升了***的集成度，节约了开发成本。

5、本发明弥补了小型无人直升机飞控***的不足，具有良好的可扩展性，为汽油发动机转速控制的先进控制方法研究奠定了基础。

附图说明

图1是本发明中T法测转速的原理图。

图2是本发明的***结构图。

图3是本实施例中使用的测速***原理图。

图4是本实施例中使用测速软件的程序流程图。

图5是本实施例中控制器软件的程序流程图。

图6是本实施例中电源管理模块原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图2所示，本实施例的小型无人直升机汽油发动机转速控制***整体上包括转速测量单元、核心控制器及附属电路单元、控制信号执行单元三大部分，其中转速测量单元包括转速信号采集模块、信号放大电路和转速计算模块，核心控制器及附属电路由主处理器、接口转换电路、相关姿态和高度传感器模块、电源管理模块构成，控制信号执行单元包括4017分频电路、伺服舵机。这三个部分构成的转速控制***在硬件上依附于飞控主***，在功能实现上独立于飞控主***，不影响飞控***性能的实现。

如图3所示，本实施例的转速计算模块选用ATMEL公司生产的ATMEGA8L处理器，该处理器基于经典的RISC架构，集成了非易失性的数据存储器，是一块低功耗的8位处理器，有两个可编程的串行UART口，有一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器，完全可以满足***设计的需要。AVR处理器主要完成GPS模块数据读取、转速数据计算以及数据传输的任务，其中，AVR通过通用串行口UART与GPS模块、核心控制器连接，波特率为19200；转速传感器信号的识别，转速传感器输出幅值5V的脉冲信号，但经过信号线的传输会有一定程度的衰减，所以在给到AVR之前，需要进行放大，放大后的信号被AVR捕获，用于计算转速。

本实施例使用AVR的16位定时器/计数器T1的输入捕获模式捕获转速信号，该定时器T/C具有一个输入捕捉单元，外部事件被该单元捕获后，就可以获取相应的发生时间，占空比、频率等信号特征便可以应用这些时间标记计算出来，外部事件发生的触发信号由引脚ICP1输入。使用该单元来捕获转速传感器的脉冲信号，每当一个脉冲到来时，定时器便停止计数，返回计数值TCNT1后清零，根据计数值用公式便可以计算出脉冲频率，进而计算出发动机的转速。该AVR采用8Mhz的外部时钟，完全可以满足10000rpm以上转速的测量。如图4所示为转速测量的程序流程图，需要说明的是，当转速很低时，两个脉冲之间相隔时间很久，可能会超过T1的最大计数值65535，此时定时器就会反转，用上面的方法计算出的转速值将变得毫无意义。经过计算T1计数值为65535时，对应的转速值为915rpm，不仅远远低于发动机工作转速，且低于发动机启动的最低转速，所以该问题对测速***的工作没有影响，但为了保证***的可靠性，需要对定时器溢出的情况做出处理。

本实施例采用ARM7微处理器作为核心控制器的处理器，该处理器为ATMEL公司的AT91SAM7SE(512)处理器，基于ARM7TDMI内核设计拥有UART接口、TWI接口和SPI接口，可以充分实现传感器数据的接收与处理，并能够完成控制算法程序的运行。转速控制器为PID控制器，它以软件的形式运行在ARM7处理器上，更新后的转速数据与转速的设定值对比做差，该差值分别经过比例环节、积分环节、微分环节计算后，再求和便得到了控制信号，该控制信号的目的是逐渐缩小发动机实际转速与目标转速的差值，使得发动机的转速最终维持在目标转速保持恒定。

如图5所示，本实例的电源管理模块采用TPS5430开关电源芯片，该款芯片支持5.5～36V的输入信号，可以提供3A的稳定输出电流，完全可以满足新***的使用。

本实例的控制信号执行模块由分频器和伺服舵机使用，分频器采用CD4017脉冲分配器，可以将PWM脉冲信号分成10个通道，完全可以满足飞控***8通道的控制信号输出要求，发动机的控制信号被分配在第5通道输出，伺服舵机选用Futaba生产的S9206型模拟舵机，该伺服舵机将控制信号由电信号转换成力矩信号，拖动发动机节气门运动，进而达到控制其转速的目的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种小型无人直升机汽油发动机转速控制***，其特征在于，包括：转速测量模块、核心控制器模块、控制信号执行模块、电源管理模块；所述转速测量模块包括转速信号采集模块、转速计算模块、数据处理模块；所述控制信号执行模块包括：4017分频器、伺服舵机模块；

转速信号采集模块通过AVR的外部信号输入捕获接口与转速计算模块的AVR处理器芯片相连，转速计算模块通过URAT通讯协议与核心控制器模块通讯，在转速计算模块和核心控制器模块通讯的过程中，需要数据处理模块进行数据滤波、融合处理，核心控制器模块向控制信号执行模块输出5v制式的PWM信号，电源管理模块则为所有的模块提供稳定的电源支持；

转速信号采集模块将发动机的转速信息转换成脉冲信号，通过定时器T1的输入捕获接口接入转速计算模块的AVR处理器，转速计算模块识别脉冲信号，并计算出对应的转速值，转速值需要经过数据处理模块的滤波处理，然后按照特有的方式与GPS模块数据融合，经过串口发送给核心控制器模块的DEBUG接口，数据经过核心控制器模块的解析分别得到GPS模块数据和转速数据，转速数据作为反馈信息给到核心控制器上的转速控制器，转速控制器将转速信息与给定值信息对比后计算出控制信号的PWM值，经过4017分频器的处理将控制信号输出给控制信号执行模块，所述控制信号执行模块控制发动机的转速。

2.根据权利要求1所述的小型无人直升机汽油发动机转速控制***，其特征在于，所述转速测量模块与GPS模块相连，所述转速测量模块用于采集发动机转动的脉冲信号、计算并处理对应的转速数据、将所述的转速数据与所述GPS模块的数据融合并编码发送。

3.根据权利要求1所述的小型无人直升机汽油发动机转速控制***，其特征在于，所述核心控制器模块的通讯方式包括AVR处理器分别与GPS模块的通讯方式、信号采集模块的通讯方式和核心控制器的通讯方式、以及在AVR处理器与GPS模块的通讯、AVR处理器与信号采集模块的通讯和AVR处理器与核心控制器的通讯并发时的处理方式。

4.根据权利要求1所述的小型无人直升机汽油发动机转速控制***，其特征在于，所述核心控制器模块的数据格式包括对数据发送/接收、数据类型、数据内容、数据传输速度的完整定义，形成标准格式，以使所述转速测量模块和所述核心控制器模块之间对数据进行生成、解析和处理。

5.根据权利要求1所述的小型无人直升机汽油发动机转速控制***，其特征在于，所述的核心控制器模块包括ARM处理器模块，接口转换模块、气压传感器模块、三轴陀螺仪传感器模块、I/O接口模块。

6.根据权利要求1所述的小型无人直升机汽油发动机转速控制***，其特征在于，所述的控制信号执行模块包括PWM信号分频单元和伺服舵机单元，所述的控制信号执行模块将核心控制器模块输出的控制信号输出给发动机节气门，所述发动机节气门控制发动机的转速。

7.根据权利要求1所述的小型无人直升机汽油发动机转速控制***，其特征在于，所述的电源管理模块用于为小型无人直升机汽油发动机转速控制***提供电源。

8.一种控制根据权利要求1所述的小型无人直升机汽油发动机转速控制***的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1、所述的小型无人直升机汽油发动机转速控制***的控制对象为发动机，所述的发动机每旋转一圈都会产生一个高压脉冲信号，转速信号采集模块采集到所述高压脉冲信号，所述转速信号采集模块内部集成有滤波器，将所述高压脉冲信号的噪声滤除，所述高压脉冲信号经过所述转速信号采集模块中的运算放大器进行功率放大，所述高压脉冲信号经过转速信号采集模块中的定时器的外部捕获接口接入转速计算模块；

步骤2、所述转速计算模块中的AVR处理器识别所述发动机的转速脉冲信号，并在捕获信号时用定时器做时间标记，然后用T法计算出发动机的转速值；使用中位值窗口滤波处理初始转速值；在整个飞控***中，转速计算模块接收转发所述GPS传感器的数据，所述发动机的转速数据与GPS模块的数据融合后通过转速计算模块发送给核心控制器模块；

步骤3、所述核心控制器模块接收到融合后的转速数据和GPS模块的数据，通过解析算法，分别解析出融合后的转速数据和GPS模块的数据，所述GPS模块的数据用于计算直升机飞行状态，所述转速数据用于计算出发动机转速控制信号的值；

步骤4、所述核心控制器模块的转速控制算法采用PID控制器，所述转速控制算法通过在核心控制器模块中的代码来实现，所述转速控制算法计算设定的转速值与测量转速值之间的差值；

步骤5、核心控制器模块的转速控制程序计算得到发动机转速的控制信号，以PWM值的形式输出给所述控制信号执行模块，所述控制信号执行模块带动发动机节气门运动，使得发动机节气门的开关产生相应的变化，改变发动机的转速。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2还包括以下步骤：

步骤21、所述T法测转速是通过测量两个相邻脉冲之间的时间间隔来推算发动机转速值的方法；

步骤22、中位值窗口滤波可以有效滤除所述发动机转速数据中的无效值，所述中位值窗口滤波的窗口长度为6；

步骤23、所述GPS模块数据通过串口UART按照19200的波特率接收至转速测量模块，GPS模块数据按照数据报文、数据段的固定格式传输，转速数据GPS模块数据融合以后，经转速测量模块的UART口发送给核心控制器模块，传输波特率为19200。

10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3还包括以下步骤：

步骤31、所述转速测量模块与核心控制器模块按照UART协议建立通讯，转速数据和GPS模块数据的解析是通过匹配数据报文实现的，转速数据和GPS模块数据分别对应唯一的报文，报文匹配成功则更新对应的数据；

步骤32、所述核心控制器模块的转速数据以30Hz的频率进行更新，更新后的转速数据直接用于计算发动机控制信号的值，如果更新失败，则采用更新前的转速数据。