無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)綜合檢測(cè)及誤差分析

孫景濤,胡永紅

(西北工業(yè)大學(xué) 第365研究所,西安 710065)

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無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)綜合檢測(cè)及誤差分析

孫景濤,胡永紅

(西北工業(yè)大學(xué) 第365研究所,西安 710065)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)、調(diào)試、外場(chǎng)檢驗(yàn)過(guò)程中性能參數(shù)的多次同時(shí)測(cè)試,以發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集板、傳感器及手持計(jì)算機(jī)為核心,研制了一種無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)綜合測(cè)試設(shè)備,給出了無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)組成及發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)采集板的實(shí)現(xiàn)方法.測(cè)試結(jié)果表明：該發(fā)動(dòng)機(jī)綜合檢測(cè)系統(tǒng)的燃油流量測(cè)量精度優(yōu)于滿量程的±5%,缸溫測(cè)量精度優(yōu)于±2 ℃,燃油壓力測(cè)量精度優(yōu)于滿量程的±2%.該檢測(cè)系統(tǒng)用戶界面友好,實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示記錄以及發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控.

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)；性能參數(shù)；測(cè)量精度；誤差分析

發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性直接影響無(wú)人機(jī)的飛行性能以及飛行安全.燃油流量、缸溫和燃油壓力是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要參數(shù).可以根據(jù)燃油流量來(lái)計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油量,并據(jù)此判斷出實(shí)際飛行距離和飛行時(shí)間；發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作時(shí),必須保證缸溫在一個(gè)合理的區(qū)間內(nèi),缸溫過(guò)高就有可能燒毀缸體[1]；發(fā)動(dòng)機(jī)精確噴射燃油的性能好壞取決于燃油供給系統(tǒng)的油壓,進(jìn)而影響到無(wú)人機(jī)的飛行性能[2].若無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)測(cè)試或調(diào)整不準(zhǔn),輕則造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞,重則導(dǎo)致無(wú)人機(jī)報(bào)廢,所以定期對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油流量、缸溫和燃油壓力參數(shù)進(jìn)行多次客觀測(cè)量是保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能正常發(fā)揮和飛行安全的必要手段[3].

在實(shí)際工程中,燃油流量、缸溫和燃油壓力的測(cè)量方法有很多種.文獻(xiàn)[4]通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)溫度的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析,給出了無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)溫度采樣方案；文獻(xiàn)[5]采用計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制方法對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試；文獻(xiàn)[6]提出采用新型數(shù)字式傳感器對(duì)缸溫、燃油壓力等無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量,其測(cè)量原理是根據(jù)所選擇的傳感器輸出的信號(hào)形式,通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換,將傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)來(lái)計(jì)算出測(cè)量值.在無(wú)人機(jī)上,通常選用流量傳感器通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)的方式來(lái)測(cè)量燃油流量、選擇鉑熱電阻或熱電偶來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)缸體溫度、選用電流型壓力傳感器來(lái)測(cè)量燃油壓力.本文基于便攜式、具備自檢功能的研制需求,研發(fā)了一種便于外場(chǎng)便攜式使用、可同時(shí)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量、缸溫以及燃油壓力,具有自檢功能的發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng),以便在測(cè)試過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài),進(jìn)而確保無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)調(diào)試到最佳運(yùn)行狀態(tài).

1無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的綜合檢測(cè)

發(fā)動(dòng)機(jī)綜合檢測(cè)系統(tǒng)主要完成發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量、缸溫和燃油壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集功能,并且通過(guò)和手持計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信,來(lái)接收手持計(jì)算機(jī)的自檢指令,發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)在手持計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示與保存采集數(shù)據(jù)的功能.發(fā)動(dòng)機(jī)綜合檢測(cè)系統(tǒng)主要由流量傳感器、溫度傳感器、壓力檢測(cè)裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)采集裝置和手持計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成.

其中發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)采集裝置是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的核心,它主要完成發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量、缸溫、燃油壓力的數(shù)據(jù)采集工作,并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口在手持計(jì)算機(jī)上顯示和保存,其組成框圖如圖1所示.該發(fā)動(dòng)機(jī)綜合檢測(cè)系統(tǒng)采取便攜式設(shè)計(jì),完全可以滿足外場(chǎng)便攜式使用的需要.

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)綜合檢測(cè)系統(tǒng)組成框圖

無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)采集為發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的核心,其主要功能是根據(jù)接收到的傳感器信號(hào)計(jì)算出相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)；另外,發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集板還實(shí)現(xiàn)與手持計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能.因此,發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集板主要包括流量信號(hào)采集單元、溫度信號(hào)采集單元、壓力信號(hào)采集單元以及數(shù)據(jù)通信單元.

1.1流量信號(hào)采集

流量信號(hào)采集單元完成發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量采集功能.當(dāng)燃油流過(guò)流量計(jì)時(shí),推動(dòng)流量計(jì)中的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,流量計(jì)會(huì)輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào),根據(jù)開(kāi)關(guān)次數(shù)計(jì)算出流量值.流量信號(hào)采集原理框圖如圖2所示.

圖2　燃油流量檢測(cè)原理框圖

電流源通過(guò)數(shù)據(jù)采集板產(chǎn)生,將流量計(jì)輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；然后經(jīng)過(guò)放大濾波和觸發(fā)器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)處理的數(shù)字脈沖信號(hào),并送入CPLD,完成脈沖計(jì)數(shù)的功能；將脈沖計(jì)數(shù)值送給單片機(jī),單片機(jī)采用定時(shí)器方式,完成在固定時(shí)間間隔內(nèi)累加計(jì)數(shù)值,從而得到瞬時(shí)流量值.

依據(jù)流量信號(hào)采集原理,流量信號(hào)采集電路原理圖如圖3所示.流量計(jì)輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)控制電流源的電流輸出的通斷,將通斷信號(hào)通過(guò)儀表放大器N1轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),再將電壓信號(hào)送給運(yùn)算放大器N2及其外圍電路構(gòu)成的低通濾波器,完成濾波功能后,通過(guò)施密特觸發(fā)器NB整形后就得到了適合CPLD處理的數(shù)字脈沖信號(hào).在CPLD內(nèi)部完成脈沖計(jì)數(shù)的功能,并將計(jì)數(shù)值送給單片機(jī),由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算瞬時(shí)流量的功能.選用C8051F005型單片機(jī)(Silicon公司),與模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件一起構(gòu)成單片機(jī)性能參數(shù)采集系統(tǒng).為保證在全溫度范圍工作時(shí)的測(cè)量精度,所有電阻電容需要選擇溫度特性好的器件.

圖3　流量信號(hào)采集電路原理圖

1.2溫度信號(hào)采集單元

溫度信號(hào)采集單元主要完成發(fā)動(dòng)機(jī)缸溫?cái)?shù)據(jù)采集的功能,其原理框圖如圖4所示.

圖4　缸溫檢測(cè)原理框圖

通過(guò)PT100鉑熱電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的采集,其實(shí)現(xiàn)了缸溫信號(hào)向電阻信號(hào)的轉(zhuǎn)換；電阻值的變化通過(guò)電流源轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理,轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),且該信號(hào)滿足單片機(jī)輸入要求,通過(guò)單片機(jī)自身實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)和串口通信功能.

單片機(jī)的輸入電壓為

U=IKR0

(1)

式中：I為電流源輸出的恒定電流值；K為電壓放大倍數(shù)；R0為熱電阻的電阻值.

在單片機(jī)內(nèi)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換),A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)為

(2)

由式(1)和式(2)可得

(3)

手持計(jì)算機(jī)根據(jù)式(3)可以計(jì)算出PT100鉑熱電阻的電阻值,再根據(jù)PT100鉑熱電阻分度表,查表得到對(duì)應(yīng)的溫度值.

由電流源、主要儀表放大器N1(包括其外圍電路)、運(yùn)算放大器N2(包括其外圍電路)以及單片機(jī)組成缸溫檢測(cè)電路,其電路原理圖如圖5所示.

圖5　溫度信號(hào)采集電路原理圖

利用電流源,將PT100鉑熱電阻的兩端電壓作為儀表放大器的差分輸入端,經(jīng)過(guò)放大和濾波處理后送給單片機(jī)完成A/D轉(zhuǎn)換.為了獲得較高的測(cè)量精度,由于儀表放大器INA118具有高精度、低功耗、高共模抑制比以及較寬工作頻帶等良好性能,基于此,采用INA118構(gòu)成放大電路,對(duì)缸溫微小變化信號(hào)進(jìn)行放大.為保證測(cè)量精度,電阻R1必須為溫度特性好的精密電阻.

1.3壓力信號(hào)采集單元

壓力信號(hào)采集單元主要完成發(fā)動(dòng)機(jī)燃油壓力信號(hào)采集的功能,其原理框圖如圖6所示.

圖6　燃油壓力檢測(cè)原理框圖

首先將壓力傳感器產(chǎn)生的電流信號(hào)通過(guò)精密電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),再轉(zhuǎn)換為滿足單片機(jī)A/D輸入范圍要求的電壓,為此,需經(jīng)過(guò)濾波放大處理后再輸入單片機(jī).A/D轉(zhuǎn)換通過(guò)單片機(jī)自身實(shí)現(xiàn),通過(guò)串口將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸入手持計(jì)算機(jī).手持計(jì)算機(jī)計(jì)算出油壓值,并實(shí)時(shí)顯示與保存油壓值.

燃油壓力檢測(cè)電路主要實(shí)現(xiàn)壓力傳感器輸出的電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換,經(jīng)過(guò)濾波和放大處理后輸送下一級(jí)電路,而電流/電壓轉(zhuǎn)換和噪聲濾除由下一級(jí)電路完成,其電路圖如圖7所示.

圖7　燃油壓力檢測(cè)電路原理圖

燃油壓力傳感器采集的電流信號(hào)以信號(hào)輸入in表示,通過(guò)電阻R1(精密電阻)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),通過(guò)濾波、放大處理后,輸入單片機(jī).為確保在全工作溫度范圍內(nèi)的測(cè)量精度,電阻R1精度溫度特性要優(yōu)于一般普通電阻,其余電阻、電容的溫度特性要求良好.

1.4數(shù)據(jù)通信

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集電路板通過(guò)RS232串口與手持計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口送給手持計(jì)算機(jī),供顯示與保存用.所以數(shù)據(jù)通信單元主要完成以單片機(jī)和串口收發(fā)芯片為核心的串口通信功能.

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)需要,串口收發(fā)芯片采用ADM3202芯片(美國(guó)AD公司),從LVTTL電平到RS-232電平的轉(zhuǎn)換通過(guò)外接電容即可完成,該芯片用單+3.3 V電源供電,通信硬件配置如圖8所示.

圖8　通信硬件配置圖

計(jì)算機(jī)發(fā)送給單片機(jī)的參數(shù)采集信息用RX_in表示,單片機(jī)發(fā)給計(jì)算機(jī)的燃油流量、缸溫、油壓數(shù)據(jù)以及自檢成功標(biāo)識(shí)用TXin表示.

2測(cè)試結(jié)果及分析

2.1檢測(cè)系統(tǒng)自檢

為自動(dòng)判斷手持計(jì)算機(jī)、CPLD和單片機(jī)三者之間通信功能是否正常,自檢流程包括：① 手持計(jì)算機(jī)按照通信協(xié)議向CPLD發(fā)送自檢信號(hào),如果CPLD能夠正確的接收到自檢信號(hào),則按照軟件協(xié)議向單片機(jī)發(fā)送自檢結(jié)果,否則向手持計(jì)算機(jī)發(fā)送自檢錯(cuò)誤標(biāo)識(shí)；② 單片機(jī)如果能夠正確的接收到CPLD發(fā)來(lái)的自檢數(shù)據(jù),則按照軟件通信協(xié)議向CPLD發(fā)送自檢回報(bào)數(shù)據(jù),并向手持計(jì)算機(jī)發(fā)送自檢成功標(biāo)識(shí),否則向手持計(jì)算機(jī)發(fā)送自檢錯(cuò)誤標(biāo)識(shí);③ 手持計(jì)算機(jī)如果能夠接收到單片機(jī)發(fā)來(lái)的自檢成功標(biāo)識(shí),則判定自檢成功,并在軟件界面顯示“自檢成功”狀態(tài),否則在軟件界面顯示“自檢錯(cuò)誤”狀態(tài).手持計(jì)算機(jī)只有判定自檢成功,才可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行顯示與保存,并進(jìn)行性能測(cè)試.

2.2測(cè)試結(jié)果及分析

該發(fā)動(dòng)機(jī)綜合檢測(cè)系統(tǒng)定型驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)得到的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～3.由表1～3可見(jiàn),在流量測(cè)量-50～500 ℃范圍內(nèi),流量測(cè)量相對(duì)誤差小于5%；在溫度測(cè)量-50～500 ℃范圍內(nèi),流量測(cè)量相對(duì)誤差小于2%；在壓力測(cè)量-50～500 ℃范圍內(nèi),流量測(cè)量相對(duì)誤差小于2%.

表1　流量信號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)

表2　溫度信號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)

表3　壓力信號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)

3結(jié) 論

1) 文中以發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)采集板、傳感器及手持計(jì)算機(jī)為核心,研制了一種便攜式發(fā)動(dòng)機(jī)綜合檢測(cè)設(shè)備.該發(fā)動(dòng)機(jī)綜合檢測(cè)設(shè)備作為無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)、調(diào)試、使用過(guò)程中所需的配套產(chǎn)品,具有友好的用戶界面,實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和記錄功能；在發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試過(guò)程中可通過(guò)該設(shè)備對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以便將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)至最佳運(yùn)行狀態(tài).

2) 該綜合檢測(cè)設(shè)備的燃油流量測(cè)量精度優(yōu)于滿量程的±5%,缸溫測(cè)量精度優(yōu)于±2 ℃,燃油壓力測(cè)量精度優(yōu)于滿量程的±2%.文中未考慮無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中氣流變化、風(fēng)阻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的影響,今后有待在這一方面作進(jìn)一步的深入研究.

參 考 文 獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯、校對(duì)張超)

Comprehensive Test and Error Analysis of UAV Engine Performance Parameters

SUNJingtao,HUYonghong

(No.365 Research Institute,Northwest Polytechnique University,Xi’an 710065,China)

Abstract:In order to meet the needs of the repeated testing performance parameters simultaneously in the process of UAV engine production,debugging and field inspection,a portable engine comprehensive detection equipment for unmanned aerial vehicle is developed,with engine-data-acquisition-board,sensors and handheld computer as the core.The composition of the engine test system for unmanned aerial vehicle and the method to realize the engine-data-acquisition-board are given.The test results show that the engine’s fuel flow measurement accuracy is better than the full range of ±5%,cylinder temperature measurement precision is better than ±2 ℃,and fuel pressure measurement precision is better than the full range of ±2%.With friendly user interface,the detection system realizes the real-time display,record of measured data and real-time monitoring of engine condition.

Key words:UAV engine; performance parameters; measurement accuracy; error analysis

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.04.007

收稿日期：2015-10-16

基金資助：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(61134004)

作者簡(jiǎn)介：孫景濤(1977-),男,西北工業(yè)大學(xué)工程師,主要研究方向?yàn)闊o(wú)人機(jī)測(cè)控.E-mail:sjtsun@sina.com.

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:中圖號(hào)：V239A

文章編號(hào)：1673-9965(2016)04-0295-05