解 濤,滕 勤,宮 向
(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)
小型無人機(jī)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控儀設(shè)計(jì)
解 濤,滕 勤,宮 向
(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)
為實(shí)現(xiàn)小型無人機(jī)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)載和內(nèi)、外場(chǎng)調(diào)試與測(cè)試,基于Freescale 16位雙核微控制器設(shè)計(jì)便攜式發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控儀。測(cè)控儀控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門和停機(jī),定時(shí)器中斷觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,液晶屏顯示被測(cè)參數(shù),并通過以太網(wǎng)通信接口將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。后臺(tái)管理軟件以圖表形式顯示被測(cè)參數(shù),計(jì)算并繪制曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:測(cè)控儀可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制、多參數(shù)測(cè)量和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>
無人機(jī);活塞式發(fā)動(dòng)機(jī);測(cè)控儀
小型無人機(jī)廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)域,常用作靶機(jī)、偵察機(jī)、電子對(duì)抗機(jī)等;在民用領(lǐng)域,用于執(zhí)行勘察測(cè)繪、氣象探測(cè)、安保監(jiān)控、農(nóng)藥噴灑、森林火災(zāi)防救等任務(wù)。作為無人機(jī)的核心,發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)直接影響無人機(jī)的安全性和可靠性。因此,需要對(duì)無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行定期性能檢測(cè)、故障排查和飛行前試車。
中國(guó)民航大學(xué)和南京航空航天大學(xué)分別采用上、下位機(jī)結(jié)合的方式,研制試驗(yàn)臺(tái)用無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng),通過測(cè)量推力、扭力、轉(zhuǎn)速和氣缸溫度,檢測(cè)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能[1-2]。為解決無人機(jī)機(jī)體與發(fā)動(dòng)機(jī)不分離造成的機(jī)載發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)測(cè)量問題,武漢軍械士官學(xué)院基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)[3],但僅限于采集發(fā)動(dòng)機(jī)自身配置的傳感器信號(hào),如轉(zhuǎn)速、缸溫、油量、發(fā)電機(jī)電壓、油門開度,而無法檢測(cè)推力、扭力等參數(shù)。
本文設(shè)計(jì)了小型無人機(jī)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控儀,結(jié)合上述兩類測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),可用于檢測(cè)機(jī)載發(fā)動(dòng)機(jī)和臺(tái)架上的發(fā)動(dòng)機(jī)。為滿足維護(hù)保養(yǎng)和調(diào)試時(shí)的測(cè)試要求,增加了氣缸壓力、點(diǎn)火電流以及混合氣濃稀狀態(tài)等測(cè)量參數(shù),拓展了檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
1.1 測(cè)控儀的組成
便攜式測(cè)控儀的測(cè)試對(duì)象為二沖程活塞式螺旋槳無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。測(cè)控儀采用主/從控制模式,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的操控和穩(wěn)態(tài)測(cè)量,在后臺(tái)軟件的支持下還可進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。主控制器以Freescale 16位雙核微控制器MC9S12XET256為核心,負(fù)責(zé)采集、處理數(shù)據(jù)和停機(jī)控制,由圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示測(cè)量參數(shù),并通過以太網(wǎng)(Ethernet)接口將數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。輔控制器為AT89S51微控制器,與主控制器之間采用帶光電隔離的SCI接口電路通信,專門負(fù)責(zé)節(jié)氣門控制。
1.2 測(cè)量參數(shù)與傳感器配置
儀器可測(cè)參數(shù)和配置的傳感器如表1所示。
圖1 測(cè)控儀結(jié)構(gòu)圖
表1 測(cè)量參數(shù)和傳感器配置
測(cè)控儀硬件電路由電源模塊、信號(hào)調(diào)理電路、以太網(wǎng)通信接口、液晶顯示模塊、停機(jī)控制電路和節(jié)氣門控制系統(tǒng)等組成。
2.1 信號(hào)調(diào)理
信號(hào)調(diào)理電路包括脈沖(轉(zhuǎn)速)信號(hào)調(diào)理和模擬信號(hào)調(diào)理兩部分。
脈沖信號(hào)調(diào)理電路負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)載交流發(fā)電機(jī)輸出信號(hào)(轉(zhuǎn)速信號(hào))進(jìn)行限幅、隔離和比較。限幅電路由穩(wěn)壓二極管和限流電阻組成;為了避免發(fā)電機(jī)輸出電壓對(duì)測(cè)控儀產(chǎn)生干擾,發(fā)電機(jī)輸出信號(hào)限幅后經(jīng)光電耦合器隔離,由電壓比較器LM2901轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)。
模擬信號(hào)調(diào)理電路負(fù)責(zé)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波、限幅等處理。濾波電路為有源π型RC低通濾波器,用于消除點(diǎn)火系統(tǒng)帶來的高頻干擾。限幅電路用于限制信號(hào)電壓,防止瞬間高電壓竄入損壞A/D模塊。限幅電路采用基于電阻平衡條件的正向比例運(yùn)算電路,利用輸入端電阻平衡原理使共模輸出為零,同時(shí)補(bǔ)償運(yùn)放輸入平均偏置電流及漂移影響[4]。
發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油壓力、燃油液位、推力、扭力、氧濃度、缸壓、點(diǎn)火等信號(hào)均采用模擬信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理,直接接入主控制器片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換模塊。各缸的溫度信號(hào)通過4個(gè)Pt100傳感器測(cè)量,利用橋式電路將傳感器電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?,由儀表放大器AD620放大后,接入一個(gè)8路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)DG408,選通信號(hào)由主控制器通過I/O口產(chǎn)生。鑒于溫度信號(hào)變化比較緩慢,DG408輸出信號(hào)通過一個(gè)外置16位Δ-∑型A/D轉(zhuǎn)換器ADS1100進(jìn)行采樣和量化,采樣值由主控制器通過IIC接口讀取。
2.2 以太網(wǎng)通信接口
圖2 以太網(wǎng)通信模塊設(shè)計(jì)
主控制器與后臺(tái)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的信息交換通過Ethernet控制器RTL8019[5]實(shí)現(xiàn),如圖2所示。RTL8019的IOCS16引腳接5 V,選擇16位數(shù)據(jù)總線模式。RL8019的數(shù)據(jù)總線SD[0:15]和地址總線SA[0:15]分別與主控制器的數(shù)據(jù)總線DATA(0:15)和地址總線ADDR(0:15)相連。RTL8019的讀寫控制線IORB、IOWB與主控制器的I/O口線PE5、PE2相連,RTL8019的復(fù)位線RSTDRV和片選線AEN分別與主控制器的I/O口線PS6、PT0相連。為了抑制高頻干擾,RTL8019與RJ-45接口之間通過隔離變壓器連接,可以實(shí)現(xiàn)帶電插拔功能。
2.3 停機(jī)控制
發(fā)動(dòng)機(jī)采用磁電機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng),停機(jī)控制原理如圖3所示。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),磁鋼轉(zhuǎn)子經(jīng)過磁電機(jī),充電線圈L1感應(yīng)出交流電,經(jīng)二極管D1半波整流后變成脈沖直流電向儲(chǔ)能電容C充電。到達(dá)點(diǎn)火時(shí)刻時(shí),線圈L2感應(yīng)出交流電,經(jīng)二極管D2整流后觸發(fā)可控硅SCR,使之導(dǎo)通,電容C儲(chǔ)存的電能經(jīng)SCR迅速向點(diǎn)火裝置釋放,使點(diǎn)火線圈次級(jí)感應(yīng)出高電壓,通過火花塞點(diǎn)火[6]。
圖3 停機(jī)控制原理圖
為了使發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠地停機(jī),設(shè)置了手動(dòng)和自動(dòng)兩種停機(jī)方式。按下儀器面板上停機(jī)開關(guān)或通過后臺(tái)發(fā)送停機(jī)指令,則繼電器2或繼電器1通電,兩個(gè)并聯(lián)的常開觸點(diǎn)之一閉合,線圈L2上的P點(diǎn)接地,L2感應(yīng)出的電壓被消耗,無法觸發(fā)可控硅SCR導(dǎo)通,點(diǎn)火系統(tǒng)停止點(diǎn)火,發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。
2.4 節(jié)氣門控制系統(tǒng)
節(jié)氣門控制系統(tǒng)由8位微控制器AT89S51、數(shù)字電位器AD5282和舵機(jī)控制模塊組成,控制原理如圖4所示。
舵機(jī)工作電壓為±12V,控制輸入為-3~3V模擬電壓,內(nèi)部集成有功放電路、直流伺服電機(jī)、減速器、搖臂和反饋電位器。AT89S51微控制器根據(jù)儀器面板上的可調(diào)電位器信號(hào),通過IIC接口控制數(shù)字電位器AD5282,提供控制舵機(jī)所需的模擬電壓。反饋電位器將當(dāng)前搖臂位置反饋給輸入處理電路,與控制輸入進(jìn)行比較并產(chǎn)生誤差電壓信號(hào),由功放電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門位置的閉環(huán)控制。通過串聯(lián)使用AD5282的兩路通道,使輸入信號(hào)的分辨力達(dá)到12 mV,整個(gè)節(jié)氣門開度范圍的控制準(zhǔn)確度達(dá)到0.2%。
圖4 舵機(jī)控制原理圖
測(cè)控儀軟件采用基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過劃分軟件系統(tǒng)任務(wù)并分配任務(wù)優(yōu)先級(jí),采用任務(wù)調(diào)度機(jī)制和中斷服務(wù)體系,提高軟件的執(zhí)行效率。主要任務(wù)包括數(shù)據(jù)采集、舵機(jī)控制、轉(zhuǎn)速計(jì)算、液晶屏刷新和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?,各函?shù)都有各自的執(zhí)行標(biāo)志位。系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入主函數(shù),首先開啟定時(shí)器模塊,然后由主函數(shù)巡檢執(zhí)行標(biāo)志位并進(jìn)行函數(shù)調(diào)用。定時(shí)器模塊的定時(shí)中斷用于精確計(jì)時(shí),并由中斷函數(shù)負(fù)責(zé)任務(wù)計(jì)時(shí)和觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換,流程如圖5所示。
圖5 定時(shí)器中斷函數(shù)流程圖
在任務(wù)體系中,液晶屏刷新函數(shù)負(fù)責(zé)更新液晶屏顯示數(shù)據(jù),更新頻率為0.2s。舵機(jī)控制函數(shù)負(fù)責(zé)向節(jié)氣門控制系統(tǒng)發(fā)送舵機(jī)位置控制指令,執(zhí)行周期為0.1s。信號(hào)采集及數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)由定時(shí)器中斷觸發(fā),負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀取、轉(zhuǎn)換和傳送。轉(zhuǎn)速計(jì)算函數(shù)由輸入捕捉中斷觸發(fā)執(zhí)行,根據(jù)前后兩次中斷的時(shí)間間隔,采用測(cè)周法計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架
為滿足內(nèi)、外場(chǎng)地試車要求,研制了可移動(dòng)式臺(tái)架,臺(tái)架上布置有蓄電池、供油裝置、起動(dòng)裝置、測(cè)力裝置、集線器等部件,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。
圖6 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
4.2 后臺(tái)管理軟件
為便于觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,基于VB6.0開發(fā)環(huán)境和UDP協(xié)議開發(fā)了后臺(tái)管理軟件[7],通過以太網(wǎng)接口接收測(cè)控儀采集的數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、曲線繪制、數(shù)據(jù)自動(dòng)儲(chǔ)存和動(dòng)態(tài)回放,并具有推力與扭力傳感器標(biāo)定、舵機(jī)測(cè)試、停機(jī)測(cè)試等輔助功能。圖7為后臺(tái)管理軟件主界面。
圖7 后臺(tái)管理軟件主界面
4.3 試車實(shí)驗(yàn)
試車實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)階段:?jiǎn)?dòng)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和停機(jī)階段。
啟動(dòng)階段:發(fā)動(dòng)機(jī)由起動(dòng)機(jī)帶動(dòng),達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后,發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定點(diǎn)火燃燒,自行運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)需使發(fā)動(dòng)機(jī)和起動(dòng)機(jī)脫離,防止起動(dòng)機(jī)燒壞。
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段:在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),可以通過調(diào)節(jié)電位計(jì)來控制節(jié)氣門開度大小,以此調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
停機(jī)階段:試驗(yàn)結(jié)束時(shí),將轉(zhuǎn)速調(diào)整到怠速,然后按下主、輔停機(jī)開關(guān),發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。
圖8 轉(zhuǎn)速隨節(jié)氣門變化曲線
由圖8可見,在啟動(dòng)階段,發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度為4.5%時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可維持在3000r/min。之后,隨著節(jié)氣門開度增加,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升,轉(zhuǎn)速與節(jié)氣門開度的變化基本一致,具有很好的跟隨性。
在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行階段,即使節(jié)氣門開度為2.6%時(shí)仍可維持3000r/min轉(zhuǎn)速。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后氣缸溫度升高,燃燒穩(wěn)定性增加,在較小的節(jié)氣門開度下仍保持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。整個(gè)試驗(yàn)過程中,測(cè)控儀能夠穩(wěn)定控制發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行。
發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中氣缸溫度隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖9所示,氣缸溫度隨轉(zhuǎn)速增加而上升,由于氣缸溫度傳感器時(shí)間參數(shù)較大,氣缸溫度變化滯后于轉(zhuǎn)速。當(dāng)氣缸溫度高于一定限值(300℃)時(shí),主控制器將輸出停機(jī)信號(hào),實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)。
發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的推力和扭力隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖10所示。由圖可知,推力和扭力隨轉(zhuǎn)速增加而增加。在低轉(zhuǎn)速時(shí),兩者波動(dòng)較大,這是因?yàn)楣?jié)氣門開度較小時(shí),混合氣濃度較大,燃燒不穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速越高,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)越平穩(wěn),推力和扭力的波動(dòng)范圍越小。
4.4 完好性檢測(cè)
圖9 缸溫隨轉(zhuǎn)速變化曲線
圖10 推力和扭力隨轉(zhuǎn)速變化曲線
圖11 氣缸壓力測(cè)量結(jié)果
完好性檢測(cè)通過檢測(cè)各缸的氣缸壓力來評(píng)判發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸密封性能或磨損狀況。圖11為采集到的缸壓曲線,發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比為8.7,理論氣缸最大壓縮壓力為0.87MPa。系統(tǒng)實(shí)測(cè)第1缸壓力為0.85MPa,第2缸壓力為0.8MPa。顯然,第2缸的磨損程度比第1缸嚴(yán)重。
1)基于16位微控制器設(shè)計(jì)了測(cè)控儀,并通過SCI接口形成主/從網(wǎng)絡(luò),有效解決了發(fā)動(dòng)機(jī)多參數(shù)測(cè)量和油門控制問題。通過采用隔離電路和屏蔽等措施,防止外界干擾對(duì)參數(shù)測(cè)量的影響;通過液晶顯示使測(cè)控儀能夠脫離后臺(tái)軟件獨(dú)立工作。
2)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的傳感器直接通過各自的電纜與測(cè)控儀連接,使得測(cè)控儀可以不依賴臺(tái)架,靈活地用于機(jī)載測(cè)試,可兼顧臺(tái)架試驗(yàn)和機(jī)載試驗(yàn)。
3)通過定時(shí)器中斷觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換,保證了多參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)的同步性。系統(tǒng)采樣周期設(shè)為0.1ms,在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速5000r/min時(shí),一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)系統(tǒng)可以采集120個(gè)數(shù)據(jù),足以反映被測(cè)物理量的變化過程。
4)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,輸入信號(hào)的分辨力達(dá)到12mV,控制整個(gè)節(jié)氣門開度范圍的準(zhǔn)確度可達(dá)到0.2%。采用兩套停機(jī)方式,有效地解決發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí)安全停機(jī)的問題。
5)采用以太網(wǎng)通信方式,傳輸速率可達(dá)960Kb/s,大幅度提高了數(shù)據(jù)傳輸能力。
6)后臺(tái)管理軟件以圖表和曲線的形式靈活顯示測(cè)量結(jié)果,便于簡(jiǎn)單直觀地判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,測(cè)控儀能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試檢測(cè)對(duì)數(shù)據(jù)采集及發(fā)動(dòng)機(jī)控制的要求,能夠用于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)試、檢測(cè)和試車。
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Design of measurement and control instrument for piston engine of small unmanned aerial vehicle
XIE Tao,TENG Qin,GONG Xiang
(School of Mechanical and Automotive Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)
In order to realize airborne,infield and outfield debugging and testing for small unmanned aerial vehicle(UAV),a portable engine measurement and control instrument is designed based on a Freescale microcontroller of 16 bit dual core.The throttle valve is controlled by the instrument which can achieve the shutdown of the engine.The data acquisition is performed by a timer interrupt to trigger A/D conversion.The measured parameters are displayed by a LCD screen and the parameters are transferred to the data managementsystem through the Ethernet communication interface.The measured parameters are also displayed in the form of graphs,and the parametric curves are drawn through calculation by the background management software.The experimental results show that the measurement and control instrument can meet the requirements for engine operation control,multi-parameter measurement and high-speed data transmission.
UAV;piston engine;measurement and control instrument
A
:1674-5124(2015)07-0068-05
10.11857/j.issn.1674-5124.2015.07.016
2014-10-29;
:2014-12-18
解 濤(1991-),男,安徽合肥市人,碩士研究生,專業(yè)方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)與控制。