CN112061410B - 一种基于单片机直流伺服驱动智能滑行灯***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞机滑行灯技术领域，具体公开了一种基于单片机直流伺服驱动的智能滑行灯***和方法，该***通过传感***感知飞机的转动角度，从而将信号传递给单片机控制器，通过直流伺服电机和电磁离合控制器等自适应调整左右灯罩的转动角度。目的在于通过单片机的伺服控制，结合逻辑门开关实现了飞机转弯滑行时，一侧的滑行灯随动转向的功能，有效避免了夜间弯道内侧因出现盲区而导致安全隐患、驾驶员焦虑等不利情况。
Description
技术领域
本发明涉及飞机滑行灯技术领域，具体涉及一种基于单片机直流伺服驱动的智能滑行灯***和方法。
背景技术
随着航空机外照明技术的不断进步，在满足各类灯具基本功能的情况下，逐渐对其驾驶安全性和舒适性提出了更高的要求。大型客机滑行灯一般都固定安装在前起落架的减振器柱上，当夜间在停机坪或滑行道转弯滑行时，即使有转弯灯的侧向补光，但由于照射距离有限，难免会在弯道内侧一定视距范围内出现盲区，这将会影响驾驶员对道面状况及周围环境更全面准确的判断，同时还会令其产生不适感，容易造成精神紧张从而引发疲倦。
自适应照明技术已经早在部分高校和科研院所作为研究项目展开讨论和研发，并且开始应用到了一部分车辆和机车上。但是由于滑行灯的安装条件相对比较苛刻，很难与驾驶舱内的操作设备产生联系，因而在能够保证此功能的同时应尽量实现小型化、轻量化以减小对整机平衡的影响。通常该类***中多采用步进电机，但由于步进电机的低频特性较差(容易出现低频振荡)，无法满足滑行灯的自适应调整的要求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于单片机直流伺服驱动的智能滑行灯***和方法，解决了转弯滑行时灯光利用率不够的问题，使灯具能够随着飞机的转向而发生相应的转动。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于单片机直流伺服驱动的智能滑行灯***，包括飞机起落架上安装的左灯罩和右灯罩，所述左灯罩和右灯罩分别通过传动机构与电磁离合器装置吸合，所述电磁离合装置通过直流伺服电机与单片机控制器连接，所述单片机控制器与传感装置连接；
所述传动机构为两个，两个所述传动机构分别与所述左灯罩(1)和所述右灯罩一一对应，所述传动机构包括与对应灯罩连接的第一锥齿轮，所述第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，所述第二锥齿轮一侧的端面与压盘对应，所述压盘通过弹簧与电磁离合装置连接；所述电磁离合装置包括单轴离合器和双轴离合器，所述双轴离合器的其中一轴与直流伺服电机的输出轴固定连接，另一轴与所述单轴离合器固连，所述单轴离合器和所述双轴离合器被配置为：所述直流伺服电机工作时，将所述单轴离合器分离，并闭合所述双轴离合器的靠近所述直流伺服电机一侧，靠近所述直流伺服电机侧的锥齿轮工作，反之闭合所述单轴离合器，并将所述双轴离合器的双轴闭合，所述直流伺服电机直接可以将转矩传至远离所述直流伺服电机的锥齿轮，从而完成左灯罩或者右灯罩的转向；
所述电磁离合装置和所述单片机控制器被配置为：当左转滑行时，所述单片机控制器将左转的相关指令传送至电磁离合控制器，所述电磁离合器控制所述电磁离合装置中的电枢电流方向，通过电磁力吸附右侧的所述压盘，释放左侧的所述压盘，使得左侧所述压盘在所述弹簧预紧力的作用下与左侧所述第二锥齿轮结合，传动力矩使得所述左灯罩转动。
优选的，所述直流伺服电机与电磁离合装置之间设置有齿轮减速器，所述传感装置包括安装在飞机起落架减震柱上的前轮转角传感器、安装于轮轴轴套端部的滑行速度传感器、安装在齿轮减速器输出轴上的光电编码器。
优选的，所述前轮转角传感器、滑行速度传感器为光电式传感器。
一种基于单片机直流伺服驱动智能滑行灯的方法，包括以下步骤：
(1)在单片机上烧录转角模型模块，根据预设前轮转角δ和速度v确定滑行灯理论转角θ；
(2)通过光电编码器测得飞机的实际角位移；
(3)根据滑行灯理论转角θ和飞机的实际角位移求得转角误差e和误差变化率ec，以此作为模糊PID控制模块的输入；
(4)单片机输出的数字信号经过D/A转换和PWM功率放大器与直流伺服电机连接，将输出的数字信号转化为具有不同时间占空比的电压信号，对直流伺服电机调速。
优选的，所述转角模型模块中的转角模型为：其中，H为飞机前轮与主机轮的距离，R为转弯半径。
优选的，滑行灯理论转角S＝S1+S2+S3，S3为最低视线距离；
其中，S为停机视距，v0为制动前的滑行速度，μ为滑行道道面摩擦系数，g为重力加速度。
优选的，所述的最低视线距离为15m。
优选的，模糊PID控制模块的输入值e和ec的模糊论域为[-3,3]。
优选的，预设前轮转角δ为10°-70°，速度v为2.8-5.6m/s。
本发明的有益之处在于：1、由于滑行转弯速度较小，本发明采取过载和堵转转矩相对较大的直流电机驱动，传感器的布置也相对较集中，从而构成独立工作模块，该***集中安装在前起落架上，包括传感装置、单片机控制器和执行器总成；2、利用直流伺服控制和左右双灯罩自适应独立转向，在单独电机驱动下通过电磁离合器完成智能转向，因此可以适当的降低转弯灯的规格，或在光照扩散角增大和照度指标提升的情况下完全代替它，从而在机外照明的智能化简易化的征程中更进一步；3、本发明通过自适应调整灯罩的转动角度，不需要驾驶员远程操作，自主能力强，也使得飞机滑行转向时能够照射的范围更广，增强了飞机滑行的安全性。
附图说明
图1为本发明***结构示意图；
图2为本发明中伺服控制***的结构图；
图3为本发明中执行装置的结构示意图。
图中：1-左灯罩；2-右灯罩；3-压盘；4-第一锥齿轮；5-第二锥齿轮；6-电磁离合装置；7-传动杆；8-弹簧；9-齿轮减速器。
具体实施方式
本发明属于飞机滑行灯技术领域，具体涉及一种基于单片机直流伺服驱动的智能滑行灯***和方法。
一种基于单片机直流伺服驱动的智能滑行灯***，包括飞机起落架上安装的左灯罩1和右灯罩2，所述左灯罩1和右灯罩2分别通过传动机构与电磁离合装置6吸合，所述电磁离合装置6通过直流伺服电机与单片机控制器连接，所述单片机控制器与传感装置连接。可以理解的是，传感装置通过检测飞机的转动角度，从而将转动角度传输给单片机控制器，单片机控制器将数据分析处理后将转动角度传输给直流伺服电机，使得直流伺服电机旋转一定角度(此角度通过单片机控制器计算得出)，保证左灯罩1或右灯罩2转动，达到左右双灯罩独立转向，自适应调整的目的。本发明的单片机控制器优选plc单片机：PLC16F1938，该单片机支持c语言编程，在MATLAB IED环境中编译，然后通过MATLAB ICD烧录至单片机CPU上，所采用的算法决定***的控制效果和执行器的动态响应。
所述传动机构包括与灯罩连接的第一锥齿轮4，所述第一锥齿轮4与第二锥齿轮5啮合，所述第二锥齿轮5一侧的端面与压盘3对应，所述压盘3通过弹簧8与电磁离合装置6连接。第一锥齿轮4与第二锥齿轮5模数相等，两个锥齿轮与电磁离合装置6连接，当左转滑行时，单片机控制器将左转的相关指令传送至电磁离合控制器，电磁离合控制器控制电磁离合装置6中的电枢电流方向，通过电磁力吸附右侧的压盘3，释放左侧的压盘3，使得左侧压盘3在弹簧8预紧力的作用下与左侧第二锥齿轮5结合，传动力矩使得左灯罩1转动，反之亦然。
当所述灯罩转动到达极限转角位置(-15°)时，因卡位会造成电机的超载而容易损坏，本发明中的电磁离合装置6为双控电磁离合器，双控电磁离合器包括远离直流伺服电机一侧的单轴离合器和靠近直流伺服电机一侧的双轴离合器，本发明中，单轴离合器优选天机传动(TJ-POC-C-0.2或TJ-POC-C-0.5)，双轴离合器优选双轴磁粉离合器FL6-A-1系列。连接时，只需将双轴磁粉离合器的其中一个输出轴和直流伺服电机输出轴通过联轴器相连，另一输出轴与单轴离合器固连，固连的方式可通过现有的方式、利用现有的连接辅助件连接即可；直流伺服电机工作时，如果将单轴离合器分离，并闭合双轴离合器的靠近电机一侧，则靠近电机侧锥齿轮工作，反之如果闭合单轴离合器，并将双轴离合器的双轴闭合，电机直接可以将转矩传至远离电机的锥齿轮，从而完成左灯罩或者右灯罩的转向。根据产品特性，该组合具有过载保护能力，当到达卡位时若不能及时自动反转，离合器就会达到最大转矩(5Nm)而打滑，从而保护电机不会因为超载而损坏。
所述直流伺服电机与电磁离合装置6之间设置有齿轮减速器，所述传感装置包括安装在飞机前起落架减震柱上的前轮转角传感器、安装于飞机起落架前轮的轮轴轴套端部的滑行速度传感器、安装在齿轮减速器9输出轴上的光电编码器。所述前轮转角传感器、滑行速度传感器为光电式传感器。通过传感装置，确定飞机的转动角度，进而确定灯罩的转动角度。
灯罩的转动角度范围为：左侧0-(－14°)，右侧0-14°；角速度范围为：0.01-5(°/s)；角控制精度为：0.2°/s。除了直流伺服电机自带的减速器(减速比：64:1)之外还有传动杆7和直流伺服电机之间设置的齿轮减速器9(减速比：144:1)。
本发明中所使用的电源为直流28v，当滑行灯开启后，***便同时开启，其工作过程中没有驾驶员的任何参与和操作，通过单片机控制器自适应调整灯罩的转动角度。
一种基于单片机直流伺服驱动智能滑行灯的方法，包括以下步骤：
(1)在单片机上烧录转角模型模块和模糊PID控制模块，为了提高计算速率，本发明优选增量式PID控制：其中k为步数，ec(k)＝e(k)-e(k-1)，用差分代替微分，Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数，对应模糊规则附表1。根据预设前轮转角δ和速度v确定滑行灯理论转角θ；所述转角模型模块中的转角模型为：/>其中，H为飞机前轮与飞机主机轮的距离，R为转弯半径；转角模型是根据安全制动理论和阿克曼转角原理结合飞机滑行特性所得到的两输入(δ、v)单输出(滑行灯理论转角θ)的数学模型；
附表1模糊规则调整表
附表1中A/B/C(A/B/C为格式示例，例：PB/NB/PS)中的A、B、C分别代表Kp、Ki、Kd三个参数的分布等级，其中将e和ec在其论域范围内分为负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零域(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，而Kp、Ki、Kd在其论域范围内分为负大(NB)、负小(NS)、零域(ZO)、正小(PS)、正大(PB)，且以上论域的划分方式为平均划分。
滑行灯理论转角S＝S1+S2+S3，/>S2＝v0t0；S3为最低视线距离，本发明中选取的最低视线距离为15m，其中，S为停机视距，v0为制动前的滑行速度，μ为滑行道道面摩擦系数，g为重力加速度；预设前轮转角δ为10°-70°，速度v为2.8-5.6m/s。
(2)通过光电编码器测得飞机的实际角位移θ’，实际角位移θ’为飞机滑行转动时的实际转角；
(3)根据滑行灯理论转角θ和飞机的实际角位移θ’求得转角误差e和误差变化率ec，其中：e＝θ-θ'、以此(转角误差e和误差变化率ec)作为模糊PID控制模块的输入；PID控制作为经典的闭环控制算法，是所述误差的比例、积分、微分的线性组合，具有非常强的调节能力，其控制质量取决于Kp、Ki、Kd三个系数的整定，为了适应该***的特性，采用模糊理论对PID控制器三参数进行在线自整定，模糊PID控制模块的输入值e和ec的模糊论域为[-3,3]，输出量Kp、Ki、Kd的模糊论域设为[-1,1]。基于专家经验和理论分析的PID模糊算法能够提高***的抗扰动能力，改善控制效果。
根据实际生产和工作经验，PID控制参数在各种工况下的自整定一般符合以下规则，当|e|较大时，无论偏差变化率大小，为了提高***的快速响应性能，应取较大的Kp和较小的Kd，同时为了尽量减小***的超调量，应限制积分作用，取较小的KI值；当|e|中等大小时，为使***响应在具有较小超调的同时保证***的响应速度，应取较小Kp，而KI和Kd大小要适中。其中，Kd的取值对***响应的影响较大；当|e|较小时，为保证***具有较好的稳态性能，Kp和KI应取的大些，同时为了提高***的抗干扰能力，当ec较小时，Kd取大些；当ec较大时，Kd应取小些。
(4)单片机的输出的数字信号经过D/A转换和PWM功率放大器与直流伺服电机连接，将输出的数字信号转化为具有不同时间占空比的电压信号(0-12v)，对直流伺服电机调速，从而保证灯罩的转动角度。本发明中直流伺服电机优选Faulhaber2342L012减速电机，减速后的转速为120rpm，额定扭矩为1.72Nm，此型号电机外形较小且质量轻，能够提供足够的转矩，符合安装要求。直流电机的开环数学模型：其中，S'为拉普拉斯算子、ω输出角速度、u为控制电压，其它参数含义见附表3。
附表3电机-摩擦模型参数
上述实施方式是优选的实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于单片机直流伺服驱动的智能滑行灯***，包括飞机起落架上安装的左灯罩(1)和右灯罩(2)，其特征在于：所述左灯罩(1)和右灯罩(2)分别通过传动机构与电磁离合装置(6)吸合，所述电磁离合装置(6)通过直流伺服电机与单片机控制器连接，所述单片机控制器与传感装置连接；
所述传动机构为两个，两个所述传动机构分别与所述左灯罩(1)和所述右灯罩(2)一一对应，所述传动机构包括与对应灯罩连接的第一锥齿轮(4)，所述第一锥齿轮(4)与第二锥齿轮(5)啮合，所述第二锥齿轮(5)一侧的端面与压盘(3)对应，所述压盘(3)通过弹簧(8)与电磁离合装置(6)连接；所述电磁离合装置(6)包括单轴离合器和双轴离合器，所述双轴离合器的其中一轴与直流伺服电机的输出轴固定连接，另一轴与所述单轴离合器固连，所述单轴离合器和所述双轴离合器被配置为：所述直流伺服电机工作时，将所述单轴离合器分离，并闭合所述双轴离合器的靠近所述直流伺服电机一侧，靠近所述直流伺服电机侧的锥齿轮工作，反之闭合所述单轴离合器，并将所述双轴离合器的双轴闭合，所述直流伺服电机直接可以将转矩传至远离所述直流伺服电机的锥齿轮，从而完成左灯罩或者右灯罩的转向；
所述电磁离合装置(6)和所述单片机控制器被配置为：当左转滑行时，所述单片机控制器将左转的相关指令传送至电磁离合控制器，所述电磁离合器控制所述电磁离合装置(6)中的电枢电流方向，通过电磁力吸附右侧的所述压盘(3)，释放左侧的所述压盘(3)，使得左侧所述压盘(3)在所述弹簧(8)预紧力的作用下与左侧所述第二锥齿轮(5)结合，传动力矩使得所述左灯罩(1)转动。
2.根据权利要求1所述的基于单片机直流伺服驱动的智能滑行灯***，其特征在于：所述直流伺服电机与电磁离合装置(6)之间设置有齿轮减速器(9)，所述传感装置包括安装在飞机起落架减震柱上的前轮转角传感器、安装于轮轴轴套端部的滑行速度传感器、安装在齿轮减速器(9)输出轴上的光电编码器。
3.根据权利要求2所述的基于单片机直流伺服驱动的智能滑行灯***，其特征在于：所述前轮转角传感器、滑行速度传感器为光电式传感器。
4.一种基于单片机直流伺服驱动智能滑行灯的方法，应用于如权利要求1-3任一项所述的智能滑行灯***，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在单片机上烧录转角模型模块，根据预设前轮转角δ和速度v确定滑行灯理论转角θ；
(2)通过光电编码器测得飞机的实际角位移；
(3)根据滑行灯理论转角θ和飞机的实际角位移求得转角误差e和误差变化率ec，以此作为模糊PID控制模块的输入；
(4)单片机输出的数字信号经过D/A转换和PWM功率放大器与直流伺服电机连接，将输出的数字信号转化为具有不同时间占空比的电压信号，对直流伺服电机调速。
5.根据权利要求4所述的基于单片机直流伺服驱动智能滑行灯的方法，其特征在于：所述转角模型模块中的转角模型为：其中，H为飞机前轮与主机轮的距离，R为转弯半径。
6.根据权利要求4所述的基于单片机直流伺服驱动智能滑行灯的方法，其特征在于：滑行灯理论转角S＝S1+S2+S3，/>S2＝v0t0；S3为最低视线距离；
其中，S为停机视距，v0为制动前的滑行速度，μ为滑行道道面摩擦系数，g为重力加速度。
7.根据权利要求6所述的基于单片机直流伺服驱动智能滑行灯的方法，其特征在于：所述的最低视线距离为15m。
8.根据权利要求4所述的基于单片机直流伺服驱动智能滑行灯的方法，其特征在于：模糊PID控制模块的输入值e和ec的模糊论域为[-3,3]。
9.根据权利要求4所述的基于单片机直流伺服驱动智能滑行灯的方法，其特征在于：预设前轮转角δ为10°-70°，速度v为2.8-5.6m/s。
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