無人直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采集方法研究

闞兆成，李衛(wèi)星

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

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無人直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采集方法研究

闞兆成，李衛(wèi)星

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

針對(duì)某樣例無人直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采集波動(dòng)的問題，進(jìn)行了詳細(xì)分析，制定了相應(yīng)的改進(jìn)措施，提出了信號(hào)濾波算法與計(jì)數(shù)均值改進(jìn)算法。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)措施可行有效，并可用于解決其他類似轉(zhuǎn)速采集波動(dòng)的問題。

無人直升機(jī)；轉(zhuǎn)速采集；計(jì)數(shù)均值算法

0 引言

對(duì)于無人直升機(jī)來說，旋翼轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制對(duì)飛行控制系統(tǒng)非常重要。而旋翼轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間是一定的比例關(guān)系，對(duì)旋翼的轉(zhuǎn)速控制即是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制[1]。只有穩(wěn)定可靠的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制，才能保證無人直升機(jī)的穩(wěn)定飛行。 當(dāng)無人直升機(jī)起飛后，旋翼負(fù)載發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載發(fā)生變化，此時(shí)應(yīng)保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制不但需要最優(yōu)的控制器，還需要高品質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的好壞直接影響了整個(gè)飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與無人直升機(jī)的飛行品質(zhì)。本文結(jié)合某樣例無人直升飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)采集出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析與研究，提出了若干發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采集問題的改進(jìn)措施。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采集波動(dòng)現(xiàn)象初步分析

樣例無人直升機(jī)采用進(jìn)口先進(jìn)的4缸4沖程化油器發(fā)動(dòng)機(jī)，最大轉(zhuǎn)速為5800r/min?？紤]無人直升機(jī)總體需求以及發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，設(shè)定工作轉(zhuǎn)速為5500r/min。圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)際采集曲線，可以觀察到有很多毛刺，圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速毛刺的局部放大圖。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

圖2 毛刺局部放大

通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速毛刺現(xiàn)象進(jìn)行初步分析，認(rèn)為毛刺現(xiàn)象主要由以下幾個(gè)原因?qū)е拢?/p>

1) 讀取數(shù)據(jù)順序錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致毛刺產(chǎn)生；

2) 信號(hào)中存在毛刺會(huì)導(dǎo)致毛刺產(chǎn)生；

3)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)算法不夠精確導(dǎo)致毛刺產(chǎn)生。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采集波動(dòng)現(xiàn)象深入分析與改進(jìn)措施

2.1 讀取數(shù)據(jù)順序錯(cuò)誤的分析及改進(jìn)措施

樣例無人直升機(jī)的轉(zhuǎn)速采集的實(shí)際電路設(shè)計(jì)方法和寄存器定義為：

COUNT：頻率測(cè)量計(jì)數(shù)寄存器；

初始狀態(tài)：上電或系統(tǒng)復(fù)位0x00；

該寄存器為頻率測(cè)量計(jì)數(shù)寄存器，由三個(gè)字節(jié)組成，采取的方式是計(jì)周期的方式，單位是1μs。

頻率計(jì)算方法為：F=1000000/COUNT。

CNT0：脈沖計(jì)數(shù)寄存器低8位。

CNT1：脈沖計(jì)數(shù)寄存器中8位。

CNT2：脈沖計(jì)數(shù)寄存器高8位。

通過周期性地讀取三個(gè)寄存器頻率數(shù)值得到轉(zhuǎn)速，讀取完CNT0后，進(jìn)行寄存器頻率值的刷新。

截取某段毛刺數(shù)據(jù)，如表1所示，其中頻率量高八位固定為0，不在表中列出，只分析中八位和低八位；從表中可知，該段數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)速正常值在5090轉(zhuǎn)左右，對(duì)應(yīng)軟件讀到的原始數(shù)據(jù)為0x2E08，單位為μs，有些小的波動(dòng)，采樣值在0x2E08和0x2DF5左右波動(dòng)，此時(shí)第一個(gè)毛刺的峰值為5199.73，對(duì)應(yīng)的采樣值為0x2D13，數(shù)據(jù)剛好和正常值0x2E08的D7～D0和0x2DF5的D15～D8組合值類似，毛刺極小值為4990.8，對(duì)應(yīng)的采樣值為0x2EF6。該數(shù)據(jù)剛好和正常值0x2E08的D15～D8和0x2DF5的D7～D0組合值類似，分析其它毛刺，也有同樣的特征。經(jīng)分析，數(shù)據(jù)讀取的順序會(huì)使采樣信號(hào)產(chǎn)生毛刺。

表1 原始記錄的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試數(shù)據(jù)

當(dāng)前頻率采集驅(qū)動(dòng)的讀順序是先讀CNT0，然后讀CNT1，最后讀CNT2，這樣在一次讀取過程中，如果讀CNT0后，此時(shí)有脈沖更新，數(shù)據(jù)將更新，那么讀到的CNT1為下一個(gè)數(shù)據(jù)的中8位，產(chǎn)生毛刺數(shù)據(jù)，和數(shù)據(jù)分析中的錯(cuò)誤吻合。

由于讀一次頻率數(shù)據(jù)需要完成三個(gè)讀操作，因此必須對(duì)寄存器進(jìn)行保護(hù)，以保證讀取過程中數(shù)據(jù)沒有變化。因此本文針對(duì)這種情況進(jìn)行了讀保護(hù)：先讀CNT2，并把讀到的頻率值進(jìn)行鎖存，不允許更新數(shù)據(jù)，讀完CNT0后，結(jié)束鎖存，允許刷新，如圖3所示，正確的讀取頻率的方法是：先讀CNT2，然后讀CNT1，最后讀CNT0。

圖3 讀寄存器的保護(hù)邏輯

2.2 信號(hào)中存在毛刺的分析與改進(jìn)措施

信號(hào)中若存在毛刺，也會(huì)對(duì)采樣結(jié)果產(chǎn)生影響，因此需采用相應(yīng)的濾波措施。

1) 對(duì)信號(hào)濾波

實(shí)際數(shù)據(jù)波形的高電平周期為1ms左右，因此更小的信號(hào)周期應(yīng)為干擾，應(yīng)予濾除。設(shè)定毛刺上限值為30μs，小于30μs的信號(hào)，認(rèn)為是毛刺，進(jìn)行濾除。濾波算法的邏輯如圖4所示。

圖4 濾波算法流程圖

2) 對(duì)毛刺濾波

經(jīng)對(duì)實(shí)際使用環(huán)境了解，實(shí)際工作中，在穩(wěn)定工作情況下，頻率的變化量率不會(huì)大于10%，因此針對(duì)采樣數(shù)據(jù)中出現(xiàn)超過10%的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾除。針對(duì)硬件特點(diǎn)，設(shè)置濾波門限為1/8Hz。如果變化率超過1/8Hz，則為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾除。濾波算法如圖5所示。

圖5 濾波算法流程圖

2.3 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)改進(jìn)措施

1) 原計(jì)數(shù)均值算法

原計(jì)數(shù)算法如圖6所示，測(cè)試的是兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔T，計(jì)算頻率如下：

①刷新模式下，頻率測(cè)量的是單周期的時(shí)間T0，計(jì)算頻率F=1/T0；

② 2次平均模式下，頻率測(cè)量的是2周期的時(shí)間T1，計(jì)算頻率F=2/T1；

③ 4次平均模式下，頻率測(cè)量的是4周期的時(shí)間T2，計(jì)算頻率F=4/T2；

④ 8次平均模式下，頻率測(cè)量的是8周期的時(shí)間T3，計(jì)算頻率F=8/T3；

該算法，在較高頻率下，實(shí)時(shí)性比較好，但測(cè)量的是點(diǎn)頻，在刷新率不高的情況下，用戶數(shù)據(jù)的頻率跳動(dòng)會(huì)比較大。

圖6 原計(jì)數(shù)器均值算法

2) 計(jì)數(shù)均值改進(jìn)算法

改進(jìn)算法如圖7所示，采用了設(shè)置更新時(shí)間的方式，頻率測(cè)量更新時(shí)間為Tset，在Tset設(shè)置時(shí)間內(nèi)，對(duì)外部輸入脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為N，N個(gè)脈沖的時(shí)間為T，則F=N/T。該種算法在高頻，低刷新率的情況下，采取多次平均，可提高測(cè)試精度。

圖7 計(jì)數(shù)器均值改進(jìn)算法

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過調(diào)整寄存器的讀取順序，并通過對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以進(jìn)一步確認(rèn)所讀取數(shù)據(jù)的正確性。設(shè)計(jì)兩個(gè)交替變換的周期，頻率數(shù)據(jù)為0x2DE2和0x2E10，采取錯(cuò)誤的讀取方式，可能讀到0x2D10和0x2EE2的情況，數(shù)據(jù)和實(shí)際毛刺數(shù)據(jù)吻合，改讀取方式后，未出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

通過發(fā)動(dòng)機(jī)開車試驗(yàn)，由于讀寫順序引起的較大的毛刺已經(jīng)消除，但是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的曲線小的毛刺仍然較多，頻率較高，如圖8、圖9所示。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速局部放大曲線

更改信號(hào)采集濾波算法與計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的平均值算法，得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖10、圖11所示，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)平滑連續(xù)，實(shí)時(shí)可靠，可作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制的反饋信號(hào)使用。

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線圖

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速局部放大曲線

4 結(jié)論

無人直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，可能是控制引起的，也有可能是原始信號(hào)采集不精確導(dǎo)致的。本文針對(duì)無人直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采集過程中信號(hào)品質(zhì)差的問題，逐步分析，對(duì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)現(xiàn)象采取了改進(jìn)措施，提出了新的轉(zhuǎn)速信號(hào)濾波算法與計(jì)數(shù)均值改進(jìn)算法。試驗(yàn)結(jié)果表明，該改進(jìn)措施明顯提高了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的品質(zhì)，可用于解決其他類似轉(zhuǎn)速采集波動(dòng)的問題。

[1] 嚴(yán) 峰．小型無人直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009, 21(3):830-832.

Research on Engine Speed Acquisition of Unmanned Helicopter

KAN Zhaocheng, LI Weixing

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

In this paper, after the engine speed unstable acquisition of unmanned helicopter was analyzed, the relevant improved methods were made, and the signal filtering and the count average algorithms were advanced. According to the test results, the improved methods were available, and could also be used to solve the similar problems of other speed acquisition.

unmanned helicopter; speed acquisition; count average algorithm

2015-05-20

闞兆成(1985-)，男，山東臨沂人，碩士研究生，工程師，無人直升機(jī)飛控。

1673-1220(2015)04-038-05

V233.7+42

A