CN105736156B - 无人直升机发动机定转速控制方法及控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种无人直升机发动机定转速控制方法及控制***，该方法包括以下步骤：检测发动机的平均转速和瞬时转速；根据发动机的平均转速和发动机的目标转速之间的差值及无人直升机当前的飞行状态信息对节气门开度进行调整；根据调整后的节气门开度和发动机的状态信息确定喷油量和喷油时刻；根据发动机的瞬时转速对喷油量和喷油时刻或补气量进行修正，并根据修正后的喷油量和喷油时刻进行喷油控制，以及根据补气量进行补气控制。本发明能够提升发动机转速的稳定性，无需增加额外成本，计算量小，且***响应速度快。
Description
技术领域
本发明涉及航空技术领域，特别涉及一种无人直升机发动机定转速控制方法及控制***。
背景技术
直升机的旋翼通常工作在恒定的转速状态下。目前无人直升机发动机使用带ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)的发动机或化油器发动机，通过在飞控***中增加定转速控制器，完成发动机的恒定转速控制。通常发动机对旋翼转速的控制方法为在发动机处或者旋翼处增加传感器，通过测量手段获得旋翼或发动机的转速，从而调节油门位置使旋翼转速达到恒定。
目前相关的无人直升机发动机定转速控制方法主要有：
(1)通过单一调节油门位置的方式使直升机旋翼达到定转速状态，会因飞行过程中需用功率的波动导致旋翼转速的波动。目前的解决方法是通过对所使用发动机建立较精确的仿真模型，并针对直升机所有飞行状态下的发动机油门值进行精确标定来保证所设计的转速控制器将发动机转速稳定在设定转速附近。该标定方法工作量较大，且控制***对标定值敏感，鲁棒性较差。
(2)通过使用旋翼转速的方式进行控制，由于旋翼转速与发动机转速相比，转速较低，在控制过程中会产生较大的误差。
(3)直升机飞行过程中，发动机始终保持在高转速的工作状态(与汽车定速巡航/摩托车怠速定速工况完全不同)，目前的单一平均转速反馈方式无法满足高转速状态下转速波动小的需求。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种无人直升机发动机定转速控制方法，该方法能够提升发动机转速的稳定性，无需增加额外成本，计算量小，且***响应速度快。
本发明的另一个目的在于提供一种无人直升机发动机定转速控制方法。
为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种无人直升机发动机定转速控制方法，包括以下步骤：检测发动机的平均转速和瞬时转速；根据所述发动机的平均转速和发动机的目标转速之间的差值及无人直升机当前的飞行状态信息对节气门开度进行调整；根据调整后的节气门开度和发动机的状态信息确定喷油量和喷油时刻；以及根据所述发动机的瞬时转速对所述喷油量和喷油时刻或所述补气量进行修正，并根据修正后的喷油量和喷油时刻进行喷油控制，以及根据所述补气量进行补气控制。
另外，根据本发明上述实施例的无人直升机发动机定转速控制方法还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述检测发动机的平均转速和瞬时转速，具体包括：获取单位时间内所述发动机的转速信号的脉冲数量，并根据所述转速信号的脉冲数量确定所述发动机的平均转速，具体为：
RPMavarage＝nsensor/(N·Δt)×60，
其中，RPMavarage为所述发动机的平均转速，Δt为所述单位时间，nsensor为在所述单位时间内所述发动机的转速信号的脉冲数量，N为发动机旋转一转中的转速信号的脉冲数量；
通过如下公式计算所述发动机的瞬时转速：
RPMinstant＝60/T，
其中，RPMinstant为所述发动机的瞬时转速，T为一个做功周期对应的发动机曲轴旋转一转的周期。
在一些示例中，所述发动机为电喷发动机，所述转速信号为所述发动机触发器输出的脉冲信号，或者，所述发动机为化油器发动机，所述转速信号为点火线圈点火脉冲信号。
在一些示例中，还包括：通过光耦对所述转速信号进行光电隔离。
在一些示例中，所述无人直升机当前的飞行状态信息包括所述无人直升机的旋翼的桨距和飞行速度。
根据本发明实施例的无人直升机发动机定转速控制方法，具有以下优点：1)通过双转速(平均转速和瞬时转速)参与控制，每个转速参与单独作动器的控制，提升发动机转速的稳定性，同时控制过程中运算量没有过大提高；2)使用对发动机控制的方式控制直升机旋翼转速，只需使用发动机自身的转速传感器，无需增加其他转速传感器，简化了***结构；3)发动机瞬时转速参与控制，直接调控喷油器或补气装置，加快了***的响应速度；4)控制过程鲁棒性较高，无需对被控无人机的飞行状态进行高精度标定，降低标定工作量。
本发明第二方面的实施例提供了一种无人直升机发动机定转速控制***，包括：检测模块，所述检测模块用于检测发动机的平均转速和瞬时转速；控制模块，所述控制模块用于根据所述发动机的平均转速和发动机的目标转速之间的差值及无人直升机当前的飞行状态信息对节气门开度进行调整；电喷模块，所述电喷模块用于根据调整后的节气门开度和发动机的状态信息确定喷油量和喷油时刻；以及调整模块，所述调整模块用于根据所述发动机的瞬时转速对所述喷油量和喷油时刻或所述补气量进行修正，并根据修正后的喷油量和喷油时刻进行喷油控制，以及根据所述补气量进行补气控制。
另外，根据本发明上述实施例的无人直升机发动机定转速控制***还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述检测发动机的平均转速和瞬时转速，具体包括：获取单位时间内所述发动机转速信号的脉冲数量，并根据所述转速信号的脉冲数量确定所述发动机的平均转速，具体为：
RPMavarage＝nsensor/(N·Δt)×60，
其中，RPMavarage为所述发动机的平均转速，Δt为所述单位时间，nsensor为在所述单位时间内所述发动机的转速信号的脉冲数量，N为发动机旋转一转中的转速信号的脉冲数量；
通过如下公式计算所述发动机的瞬时转速：
RPMinstant＝60/T，
其中，RPMinstant为所述发动机的瞬时转速，T为一个做功周期对应的发动机曲轴旋转一转的周期。
在一些示例中，所述发动机为电喷发动机，所述转速信号为所述发动机触发器输出的脉冲信号，或者，所述发动机为化油器发动机，所述转速信号为点火线圈点火脉冲信号。
在一些示例中，还包括：光电隔离模块，所述光电隔离模块用于通过光耦对所述转速信号进行光电隔离。
在一些示例中，所述无人直升机当前的飞行状态信息包括所述无人直升机的旋翼的桨距和飞行速度。
根据本发明实施例的无人直升机发动机定转速控制***，具有以下优点：1)通过双转速(平均转速和瞬时转速)参与控制，每个转速参与单独作动器的控制，提升发动机转速的稳定性，同时控制过程中运算量没有过大提高；2)使用对发动机控制的方式控制直升机旋翼转速，只需使用发动机自身的转速传感器，无需增加其他转速传感器，简化了***结构；3)发动机瞬时转速参与控制，直接调控喷油器或补气装置，加快了***的响应速度；4)控制过程鲁棒性较高，无需对被控无人机的飞行状态进行高精度标定，降低标定工作量。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的无人直升机发动机定转速控制方法的流程图；
图2是本发明一个实施例的电喷发动机定转速控制示意图；
图3是本发明一个实施例的化油器发动机定转速控制示意图；以及
图4是根据本发明实施例的无人直升机发动机定转速控制***的结构框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图描述根据本发明实施例的无人直升机发动机定转速控制方法及控制***。
图1是根据本发明一个实施例的无人直升机发动机定转速控制方法的流程图。如图1所示，根据本发明一个实施例的无人直升机发动机定转速控制方法，包括以下步骤：
步骤S1：检测发动机的平均转速和瞬时转速。
具体地说，在本发明的一个实施例中，得到平均转速的方法例如为：获取单位时间内发动机的转速信号的脉冲数量，并根据转速信号的脉冲数量确定发动机的平均转速，具体为：
RPMavarage＝nsensor/(N·Δt)×60，
其中，RPMavarage为发动机的平均转速，Δt为单位时间，nsensor为在单位时间内发动机的转速信号的脉冲数量，N为发动机旋转一转中的转速信号的脉冲数量。
同时，需要计算出发动机的瞬时转速，在本发明的实施例中，发动机的瞬时转速即为发动机一个做功周期内的等效转速值。发动机的瞬时转速的具体计算公式为：
RPMinstant＝60/T，
其中，RPMinstant为发动机的瞬时转速，T为一个做功周期对应的发动机曲轴旋转一转的周期。需要说明的是，对于四冲程发动机，一个做功周期发动机旋转两转，此时的T为发动机做功周期的一半；对于二冲程发动机一个做功周期发动机旋转一转，此时的T与发动机做功周期相同。
其中，发动机的转速信号使用发动机自身的转速传感器检测得到。在本发明的实施例中，发动机例如为电喷发动机或化油器发动机，例如图2和图3所示。当发动机为电喷发动机时，转速信号为发动机触发器输出的脉冲信号；当发动机为化油器发动机时，该转速信号为点火线圈点火脉冲信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：通过光耦对上述的转速信号进行光电隔离，以减少电磁干扰。也即，对触发器输出的脉冲信号或点火线圈点火脉冲信号进行光电隔离，以减小这两种信号的电磁干扰。
步骤S2：根据发动机的平均转速和发动机的目标转速之间的差值及无人直升机当前的飞行状态信息对节气门开度进行调整。其中，在本发明的一个实施例中，无人直升机当前的飞行状态信息例如包括无人直升机的旋翼的桨距和飞行速度。
具体地说，结合图2和图3所示，根据发动机的平均转速，采用反馈控制给出发动机节气门开度(油门开度)，在该过程中，同时接入发动机当前的目标转速，通过平均转速与目标转速的差值通过控制器修正节气门开度。无人直升机当前的飞行状态信息(旋翼的桨距、飞行速度)作为该控制过程的前馈修正量，从而在直升机机动飞行状态下稳定发动机转速。其中，飞行状态参与前馈修正的节气门开度信息使用试验标定与理论计算结合的手段获得，试验标定不需要进行精确标定，针对发动机功率外特性曲线选取特定点标定即可，控制过程中通过查表与拟合方法来确定前馈值。
步骤S3：根据调整后的节气门开度和发动机的状态信息确定喷油量和喷油时刻。
步骤S4：根据发动机的瞬时转速对喷油量和喷油时刻或补气量进行修正，并根据修正后的喷油量和喷油时刻进行喷油控制，以及根据补气量进行补气控制。具体地说，结合图2和图3，由于发动机的瞬时转速要比平均转速变化明显，利用修正标定的喷油器喷油脉宽和喷油相位来稳定发动机的瞬时转速，从而达到让发动机在特定工况下平稳运行的使用需求。对于化油器发动机通过对应的执行机构调整发动机的补气装置，进而达到与电喷发动机同样的调整效果。其中节气门操纵机构和补气操纵机构使用舵机或步进电机完成。
综上，本发明实施例的控制方法中，将发动机瞬时转速和平均转速解耦使用，从而降低控制器的计算量；通过将发动机转速稳定，达到让直升机旋翼在恒定转速下工作的目。
综上，根据本发明实施例的无人直升机发动机定转速控制方法，具有以下优点：1)通过双转速(平均转速和瞬时转速)参与控制，每个转速参与单独作动器的控制，提升发动机转速的稳定性，同时控制过程中运算量没有过大提高；2)使用对发动机控制的方式控制直升机旋翼转速，只需使用发动机自身的转速传感器，无需增加其他转速传感器，简化了***结构；3)发动机瞬时转速参与控制，直接调控喷油器或补气装置，加快了***的响应速度；4)控制过程鲁棒性较高，无需对被控无人机的飞行状态进行高精度标定，降低标定工作量。
本发明的进一步实施例还提供了一种无人直升机发动机定转速控制***。
图4是根据本发明一个实施例的无人直升机发动机定转速控制***的结构框图。如图4所示，该无人直升机发动机定转速控制***100包括：检测模块110、控制模块120、电喷模块130和调整模块140。
其中，检测模块110用于检测发动机的平均转速和瞬时转速。
具体地说，在本发明的一个实施例中，得到平均转速的方法例如为：获取单位时间内发动机的转速信号的脉冲数量，并根据转速信号的脉冲数量确定发动机的平均转速，具体为：
RPMavarage＝nsensor/(N·Δt)×60，
其中，RPMavarage为发动机的平均转速，Δt为单位时间，nsensor为在单位时间内发动机的转速信号的脉冲数量，N为发动机旋转一转中的转转速信号的脉冲数量。
同时，需要计算出发动机的瞬时转速，在本发明的实施例中，发动机的瞬时转速即为发动机一个做功周期内的等效转速值。发动机的瞬时转速的具体计算公式为：
RPMinstant＝60/T，
其中，RPMinstant为发动机的瞬时转速，T为一个做功周期对应的发动机曲轴旋转一转的周期。需要说明的是，对于四冲程发动机，一个做功周期发动机旋转两转；对于二冲程发动机一个做功周期发动机旋转一转。
其中，发动机的转速信号使用发动机自身的转速传感器检测得到。在本发明的实施例中，发动机例如为电喷发动机或化油器发动机。当发动机为电喷发动机时，转速信号为发动机触发器输出的脉冲信号；当发动机为化油器发动机时，转速信号为点火线圈点火脉冲信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括光电隔离模块150(图中未示出)。光电隔离模块150用于通过光耦对上述的转速信号进行光电隔离，以减少电磁干扰。也即，对触发器输出的脉冲信号或点火线圈点火脉冲信号进行光电隔离，以减小这两种信号的电磁干扰。
控制模块120用于根据发动机的平均转速和发动机的目标转速之间的差值及无人直升机当前的飞行状态信息对节气门开度进行调整。其中，在本发明的一个实施例中，无人直升机当前的飞行状态信息例如包括无人直升机的旋翼的桨距和飞行速度。
具体地说，根据发动机的平均转速，采用反馈控制给出发动机节气门开度(油门开度)，在该过程中，同时接入发动机当前的目标转速，通过平均转速与目标转速的差值通过控制器修正节气门开度。无人直升机当前的飞行状态信息(旋翼的桨距、飞行速度)作为该控制过程的前馈修正量，从而在直升机机动飞行状态下稳定发动机转速。其中，飞行状态参与前馈修正的节气门开度信息使用试验标定与理论计算结合的手段获得，试验标定不需要进行精确标定，真对发动机功率外特性曲线选取特定点标定即可，控制过程中通过查表与拟合方法来确定前馈值。
电喷模块130用于根据调整后的节气门开度和发动机的状态信息确定喷油量和喷油时刻。
调整模块140用于根据发动机的瞬时转速对喷油量和喷油时刻或补气量进行修正，并根据修正后的喷油量和喷油时刻进行喷油控制，以及根据补气量进行补气控制。具体地说，由于发动机的瞬时转速要比平均转速变化明显，利用修正标定的喷油器喷油脉宽和喷油相位来稳定发动机的瞬时转速，从而达到让发动机在特定工况下平稳运行的使用需求。对于化油器发动机通过对应的执行机构调整发动机的补气装置，进而达到与电喷发动机同样的调整效果。其中节气门操纵机构和补气操纵机构使用舵机或步进电机完成。
综上，本发明实施例的控制***中，将发动机瞬时转速和平均转速解耦使用，从而降低控制器的计算量；通过将发动机转速稳定，达到让直升机旋翼在恒定转速下工作的目。
综上，根据本发明实施例的无人直升机发动机定转速控制***，具有以下优点：1)通过双转速(平均转速和瞬时转速)参与控制，每个转速参与单独作动器的控制，提升发动机转速的稳定性，同时控制过程中运算量没有过大提高；2)使用对发动机控制的方式控制直升机旋翼转速，只需使用发动机自身的转速传感器，无需增加其他转速传感器，简化了***结构；3)发动机瞬时转速参与控制，直接调控喷油器或补气装置，加快了***的响应速度；4)控制过程鲁棒性较高，无需对被控无人机的飞行状态进行高精度标定，降低标定工作量。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种无人直升机发动机定转速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
检测发动机的平均转速和瞬时转速，具体包括：
获取单位时间内所述发动机的转速信号的脉冲数量，并根据所述转速信号的脉冲数量确定所述发动机的平均转速，具体为：
RPMavarage＝nsensor/(N·Δt)×60，
其中，RPMavarage为所述发动机的平均转速，Δt为所述单位时间，nsensor为在所述单位时间内所述发动机的转速信号的脉冲数量，N为发动机旋转一转中的转速信号的脉冲数量，
通过如下公式计算所述发动机的瞬时转速：
RPMinstant＝60/T，
其中，RPMinstant为所述发动机的瞬时转速，T为一个做功周期对应的发动机曲轴旋转一转的周期；
根据所述发动机的平均转速和发动机的目标转速之间的差值及无人直升机当前的飞行状态信息对节气门开度进行调整；
根据调整后的节气门开度和发动机的状态信息确定喷油量和喷油时刻；以及
根据所述发动机的瞬时转速对所述喷油量和喷油时刻或补气量进行修正，并根据修正后的喷油量和喷油时刻进行喷油控制，以及根据所述补气量进行补气控制。
2.根据权利要求1所述的无人直升机发动机定转速控制方法，其特征在于，
所述发动机为电喷发动机，所述转速信号为所述发动机触发器输出的脉冲信号，或者，
所述发动机为化油器发动机，所述转速信号为点火线圈点火脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的无人直升机发动机定转速控制方法，其特征在于，还包括：
通过光耦对所述转速信号进行光电隔离。
4.根据权利要求1所述的无人直升机发动机定转速控制方法，其特征在于，所述无人直升机当前的飞行状态信息包括所述无人直升机的旋翼的桨距和飞行速度。
5.一种无人直升机发动机定转速控制***，其特征在于，包括：
检测模块，所述检测模块用于检测发动机的平均转速和瞬时转速，具体包括：
获取单位时间内所述发动机的转速信号的脉冲数量，并根据所述转速信号的脉冲数量确定所述发动机的平均转速，具体为：
RPMavarage＝nsensor/(N·Δt)×60，
其中，RPMavarage为所述发动机的平均转速，Δt为所述单位时间，nsensor为在所述单位时间内所述发动机的转速信号的脉冲数量，N为发动机旋转一转中的转速信号的脉冲数量，
通过如下公式计算所述发动机的瞬时转速：
RPMinstant＝60/T，
其中，RPMinstant为所述发动机的瞬时转速，T为一个做功周期对应的发动机曲轴旋转一转的周期；
控制模块，所述控制模块用于根据所述发动机的平均转速和发动机的目标转速之间的差值及无人直升机当前的飞行状态信息对节气门开度进行调整；
电喷模块，所述电喷模块用于根据调整后的节气门开度和发动机的状态信息确定喷油量和喷油时刻；以及
调整模块，所述调整模块用于根据所述发动机的瞬时转速对所述喷油量和喷油时刻或补气量进行修正，并根据修正后的喷油量和喷油时刻进行喷油控制，以及根据所述补气量进行补气控制。
6.根据权利要求5所述的无人直升机发动机定转速控制***，其特征在于，
所述发动机为电喷发动机，所述转速信号为所述发动机触发器输出的脉冲信号，或者，
所述发动机为化油器发动机，所述转速信号为点火线圈点火脉冲信号。
7.根据权利要求6所述的无人直升机发动机定转速控制***，其特征在于，还包括：
光电隔离模块，所述光电隔离模块用于通过光耦对所述转速信号进行光电隔离。
8.根据权利要求5所述的无人直升机发动机定转速控制***，其特征在于，所述无人直升机当前的飞行状态信息包括所述无人直升机的旋翼的桨距和飞行速度。
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