小型無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡寧博

(1.中國電子科技集團(tuán)公司 第二十七研究所，鄭州 475000； 2.河南方達(dá)空間信息技術(shù)有限公司，鄭州 475000)

0 引言

近年來，無人機(jī)技術(shù)蓬勃發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓展，各種無人機(jī)層出不窮。其中，油動(dòng)無人機(jī)以載重量大、續(xù)航時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)受到諸多行業(yè)用戶的青睞。發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)影響著油動(dòng)無人機(jī)的載重能力、飛行質(zhì)量以及無人機(jī)的可靠性和安全性。發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)調(diào)校不合適，無法達(dá)到最大功率輸出，問題嚴(yán)重時(shí)還可能會(huì)超溫?zé)g缸體及活塞，或者爆震影響正常飛行損壞結(jié)構(gòu)件。監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的手段主要是測量缸頭及排氣溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等，水冷發(fā)動(dòng)機(jī)還可以監(jiān)測冷卻液溫度[1]。在飛行中，對發(fā)動(dòng)機(jī)損害最大的因素就是發(fā)動(dòng)機(jī)超溫，因此要嚴(yán)格控制發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭及排氣在正常范圍內(nèi)。

熱電偶測溫范圍寬，而且體積小結(jié)構(gòu)簡單便于維護(hù)，熱端可與被測物體有良好熱接觸，因而測溫準(zhǔn)確度較高。與其他測溫手段相比，更適合用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭溫度及排氣溫度的測量。

針對無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試及飛行時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭及排氣溫度的需求，參考蚊子超輕型直升機(jī)溫度儀表電路，設(shè)計(jì)了以K型熱電偶為測溫元件，經(jīng)過信號調(diào)理及采樣計(jì)算，通過485總線以Modbus協(xié)議發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，供無人機(jī)飛控系統(tǒng)采集并下傳到地面站顯示以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控的溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

為配合我單位蚊子直升機(jī)無人化改裝的調(diào)試需求，對所設(shè)計(jì)溫度監(jiān)控系統(tǒng)有如下的參數(shù)要求：

1)傳感器類型：K型熱電偶(熱端接地)；

2)傳感器路數(shù)：4路(2路缸頭溫度，2路排氣溫度)；

3)測溫范圍：-20～+800 ℃；

4)允許誤差：±5 ℃ (常用工作溫度范圍內(nèi))；

5)供電電壓：12、或24 V；

6)輸出形式：RS485總線 查詢方式輸出；

7)采集速率：≥2 Hz。

為了實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度變化，方便傳感器的安裝，采用蚊子直升機(jī)原機(jī)自帶的接地型K型熱電偶作測量。這類熱電偶通過將焊點(diǎn)焊接到金屬護(hù)套或者固定件上獲得更有效的熱傳遞，對溫度變化的響應(yīng)速度更快。與絕緣型的熱電偶相比，金屬與金屬的接觸會(huì)產(chǎn)生更短的熱通路，檢測滯后量小的同時(shí)，減小干擾，提高測量可靠性和精度。

但熱端接地的熱電偶安裝后與發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭或排氣管接觸，形成了熱端接地。如果采集端也接地，就會(huì)由于兩接地點(diǎn)存在微弱電勢差而形成“接地回路”。因?yàn)樗薪饘袤w與熱電偶熱端都存在電勢差，這種電勢差作用于熱電偶信號線上，將會(huì)引起較大的共模干擾[2]。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞放電產(chǎn)生的電磁脈沖干擾，機(jī)載數(shù)傳電臺(tái)和圖傳鏈路的射頻干擾，都會(huì)影響到熱電偶信號的正常采集。

為了抑制共模干擾，可采用具有較高輸入阻抗且以差分形式輸入的儀表放大電路做信號調(diào)理[3]。擬采用集成儀表器AD620搭建差分放大電路實(shí)現(xiàn)對熱電偶信號的調(diào)理。其他集成化的溫度采集方案，如MAX31855，MAX6675等采集芯片雖然使用更方便，精度也較高，但由于其內(nèi)部斷偶檢測電路等的影響，采集熱端接地的熱電偶時(shí)，會(huì)因共模干擾抑制效果差而使數(shù)據(jù)跳變無法正常使用。

溫度監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示。熱電偶傳感器信號進(jìn)入系統(tǒng)后，首先經(jīng)過通道切換電路，選通單通道進(jìn)行采集。因?yàn)闇囟仁蔷徸兞坎豢赡芡蛔?，因此逐通道采集并不?huì)影響觀測。選通的某通道電壓經(jīng)儀表放器構(gòu)成的信號調(diào)理電路放大后由微控制器片上A/D采集。微控制器同時(shí)采集冷端溫度，對采集到的熱電偶電壓進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算最終得到熱電偶傳感器溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以Modbus協(xié)議發(fā)送到485總線。為了與其他傳感器共用485總線，采用查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包加CRC16校驗(yàn)，避免傳輸過程出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤影響觀測。

圖1 溫度監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 通道切換電路

溫度監(jiān)控系統(tǒng)通道切換電路如圖2所示。

圖2 通道切換電路

采用模擬開關(guān)CD4052作通道切換。CD4052是雙四路模擬開關(guān)，具有較低的導(dǎo)通阻抗和截止漏電流。芯片10腳和9腳為地址端，根據(jù)地址選通一路信號進(jìn)入后續(xù)調(diào)理放大電路。串聯(lián)的R5、R17與輸出端的C2、C3構(gòu)成RC慮波電路。由于差分電路RC電路參數(shù)的不匹配會(huì)降低信號調(diào)理電路的共模抑制比，因此選用±0.1%高精度低溫漂電阻。R4、R16等下拉電阻在發(fā)生斷偶故障時(shí)拉低輸入電平。

2.2 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路如圖3所示。采用集成儀表運(yùn)算放大器AD620搭建。差分方式輸入，±5 V雙電源供電。與采用通用運(yùn)放搭建儀表放大電路相比，采用集成儀表運(yùn)算放大器可以在保證共模抑制比的前提下減少外圍高精度元件的需求數(shù)量[4]。在圖3中，僅R15需選用精度±0.1%溫度系數(shù)±10 ppm/ ℃的高精度低溫漂電阻，其余電阻選用±1%精度即可。由于STM32片上AD無法采集負(fù)電壓，需將輸入信號抬升以保證正常工作溫度范圍內(nèi)信號調(diào)理電路不會(huì)輸出負(fù)電壓。AD620的5腳為基準(zhǔn)引腳，該引腳電位可定義零輸出電壓。在使用中，5腳接STM32片上DA的輸出，由STM32來提供所需0.5 V偏置電壓。

圖3 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路增益[5]：

G= 49.4kΩ/R15+1=73.65

在儀表正常測量溫度范圍-20～+800 ℃內(nèi)熱電偶輸出電壓范圍約為-0.78～+33.27 mV，經(jīng)過放大電路后輸出電壓范圍為0.44～2.95 V，符合STM32片上A/D輸入范圍。

信號調(diào)理電路中由電阻引起的誤差為：

±0.16%

儀表放大器AD620引起的誤差為：

δ2=±0.7%

總的調(diào)理電路誤差[6]為：

在軟件調(diào)試時(shí)，需要對信號調(diào)理電路進(jìn)行測量，并利用實(shí)際測得的數(shù)據(jù)擬合出電路電壓放大倍數(shù)及直流偏置量寫入程序進(jìn)行計(jì)算[7]。

2.3 控制器及接口電路

信號調(diào)理電路輸出電壓直接送控制器片上A/D進(jìn)行采集?？刂破鞑捎?2位ARM微控制器STM32F103RET6，該控制器有512 KB ROM和64 KB RAM，最高工作頻率72 MHz，片上集成了16×12 bit A/D、3路USART、2路UART以及其他外設(shè)，適用于嵌入式控制場合。485接口電平轉(zhuǎn)換采用MAX3485，3.3 V供電與控制器兼容。溫度補(bǔ)償采用單總線溫度傳感器DS18B20采集冷端溫度[8]。為了提高溫度補(bǔ)償?shù)木?，可以將采集冷端溫度的DS18B20傳感器從板上引出安裝在熱電偶傳感器與普通導(dǎo)線對接的接頭附近。

DSSD算法和核心思想成為使用ResNet代替VGG-16作為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),并在其后增添一系列卷積層與反卷積層,通過跳躍鏈接使淺層特征圖擁有更好的表征能力,提高算法對小目標(biāo)物體的魯棒性。DSSD算法的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.4 電源電路

外部供電VIN為10～30 V，經(jīng)DC-DC模塊TPS5430DDAR降壓到5.5 V，如圖4所示。

圖4 DC-DC電源電路

TPS5430是一個(gè)高輸出電流PWM轉(zhuǎn)換器，最大輸出電流3 A，片上集成了低阻抗高側(cè)N溝道 MOSFET，開關(guān)頻率固定為500 kHz。通道切換和信號調(diào)理電路所需的+5 V由LDO芯片HT7550提供，并經(jīng)截止頻率約7.8 kHz的π形濾波器濾除電源噪聲?？刂破骷敖涌陔娐匪璧?.3 V電源由LDO HT7533提供?？刂破髂M部分供電VDDA由3.3 V電源經(jīng)截止頻率約為78.2 kHz的π形濾波器濾波后提供。反相器74HC14D搭建成的震蕩電路配合D2，D3及C12構(gòu)成電荷泵，對5.5 V進(jìn)行反向，以提供通道切換及信號調(diào)理電路所需的-5 V電源。LDO及負(fù)電源電路如圖5所示。

圖5 LDO和負(fù)電源電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件功能較為簡單，而且溫度參數(shù)為緩變量，對于實(shí)時(shí)性的要求不是很高，因此采用單循環(huán)程序結(jié)構(gòu)，逐通道采集、計(jì)算。通信部分采用中斷方式接收和發(fā)送，使通訊響應(yīng)更為迅速。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序流程如圖6所示。上電后先配置IO口、串口、A/D、D/A等，D/A輸出直流偏偏置量提供給儀表放大器，然后初始化溫度傳感器DS18B20和看門狗最后進(jìn)入主循環(huán)，依次采集冷端溫度及各通道溫度，并執(zhí)行喂狗操作。

圖6 主程序流程圖

單總線溫度傳感器DS18B20為串行通信器件，讀取數(shù)據(jù)時(shí)對于時(shí)序要求較嚴(yán)格。當(dāng)DS18B20讀取數(shù)據(jù)時(shí)被串口中斷打斷，將造成讀取到的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，影響溫度補(bǔ)償[9]。簡單的解決辦法是在讀取DS18B20時(shí)暫時(shí)關(guān)閉串口中斷。或利用定時(shí)器中斷控制DS18B20的讀寫時(shí)序，并配置定時(shí)器中斷優(yōu)先級高于串口中斷。

3.2 串口中斷子程序

圖7 串口中斷子程序流程圖

485串口通訊采用Modbus RTU協(xié)議，查詢方式輸出，以便于與其他傳感器或機(jī)載設(shè)備組成總線實(shí)現(xiàn)集中管理[10]。表1為采集指令的幀結(jié)構(gòu)，表2為返回?cái)?shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)。其中，返回的溫度數(shù)據(jù)為16進(jìn)制，高字節(jié)在前，數(shù)值轉(zhuǎn)成10進(jìn)制后除10即為溫度值。

表1 采集指令幀結(jié)構(gòu)

表2 返回?cái)?shù)據(jù)楨結(jié)構(gòu)

3.3 溫度采集子程序

溫度采集子程序流程如圖8所示。切換通道后，延時(shí)50mS等待電壓穩(wěn)定，然后控制A/D 采集電壓值，這里實(shí)際進(jìn)行了多次采集并求平均以減小誤差。然后根據(jù)信號調(diào)理電路的直流電壓偏移量和電壓放大倍數(shù)計(jì)算熱電偶輸出電壓。得到熱電偶輸出電壓后需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償，具體方法是查找K型熱電偶分度表求得冷端溫度對應(yīng)的補(bǔ)償電壓值，將熱電偶電壓加上補(bǔ)償電壓后再次用查表內(nèi)插法查分度表求得熱電偶溫度。在程序流程中，切換通道后延時(shí)最占用時(shí)間，但由于慮波電路穩(wěn)定需要時(shí)間，這又是必不可少的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，延時(shí)50 ms即可以保證信號電壓達(dá)到穩(wěn)定又可保證主程序運(yùn)行效率，滿足2 Hz數(shù)據(jù)刷新率的要求。

圖8 溫度采集子程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟和方法

電路裝配完成后，將熱電偶輸入端接毫伏電壓源，用電壓表測量信號調(diào)理電路輸入及輸出電壓值，從-10～35 mV每間隔5 mV測量一組數(shù)據(jù)，測量完成后用線性曲線擬合，根據(jù)擬合得到的斜率和偏移量更正程序中的計(jì)算參數(shù)。蚊子直升機(jī)使用MZ202型兩沖程雙缸風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)，缸頭正常溫度在148.8～204.4 ℃，警惕溫度為204.4～260 ℃，最高溫度為260 ℃，排氣正常溫度593.3～648.8 ℃，警惕溫度為648.8～676.6 ℃，最高溫度為676.6 ℃，超出最高溫度發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)損壞。為提高測溫精度減小調(diào)試工作量，也可以僅在常用的工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)。信號調(diào)理電路校準(zhǔn)完成后與原機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度儀表進(jìn)行比對。

4.2 誤差對比與分析

在正常工作溫度范圍內(nèi)，缸頭溫度顯示及誤差如表3所示，排氣溫度顯示及誤差如表4所示。

表3 缸頭溫度及誤差 ℃

表4 排氣溫度及誤差 ℃

從表3可以看出,缸頭溫度在180～190 ℃范圍內(nèi)較為準(zhǔn)確，兩端溫度偏差較大。表4排氣溫度整體偏差不大。這是由于使用手持式Fluke-17B型萬用表校準(zhǔn)信號調(diào)理電路，電壓分辨力為0.1 mV，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)，量化誤差影響較大。如使用高精度的臺(tái)式萬用表校準(zhǔn)信號調(diào)理電路，應(yīng)能進(jìn)一步減小整體測量誤差。綜合表3、4來看，在蚊子直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度范圍內(nèi)，相對于原機(jī)溫度儀表的溫度顯示偏差為±3 ℃，與原機(jī)溫度儀表一致性較好，符合設(shè)計(jì)參數(shù)要求，滿足調(diào)試及飛行期間監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的需求。

4.3 安裝使用情況

實(shí)際使用時(shí)，安裝位置應(yīng)避開機(jī)艙內(nèi)的電源、舵機(jī)控制盒等發(fā)熱部件，遠(yuǎn)離舵機(jī)、數(shù)傳圖傳電臺(tái)等干擾源。熱電偶傳感器選用帶屏蔽的鎧裝熱電偶，屏蔽層在熱端做好接地處理，采集端做好絕緣，保證屏蔽層單點(diǎn)接地[11]。溫度監(jiān)控系統(tǒng)采用金屬外殼，做好接地處理以屏蔽干擾。經(jīng)地面聯(lián)調(diào)及飛行測試，溫度監(jiān)控系統(tǒng)顯示穩(wěn)定，抗干擾能力較強(qiáng)，與原機(jī)自帶溫度儀表誤差較小，為發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)校提供了可靠的依據(jù)，有效地保障了發(fā)動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語

針對小型無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)試及飛行中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭及排氣溫度的需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于K型熱電偶的溫度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)測量精度滿足調(diào)試及監(jiān)控需求，且工作穩(wěn)定抗干擾能力強(qiáng)，投入使用后極大地方便了發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)試，避免了因盲目調(diào)試造成發(fā)動(dòng)機(jī)活塞燒蝕、拉缸等事故。該溫度采集電路也可用于Rotax582、Rotax912/914等小型活塞航空發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度采集。