多旋翼無(wú)人機(jī)長(zhǎng)續(xù)航供電閉環(huán)控制系統(tǒng)

楊東宇　王迎　鄧穎　徐明奇

摘? 要： 目前，小型無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)恒速控制器依然依賴國(guó)外技術(shù)，且價(jià)格比較高昂。為了解決提升無(wú)人機(jī)性能、擺脫對(duì)國(guó)外依賴等問(wèn)題，設(shè)計(jì)多旋翼無(wú)人機(jī)長(zhǎng)續(xù)航供電閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸、發(fā)電機(jī)、鋰電池、整流模塊、發(fā)電機(jī)控制模塊以及測(cè)量模塊組成。其中，控制模塊包括舵機(jī)控制模塊、轉(zhuǎn)速控制模塊以及基于STM32的微控制器;測(cè)量模塊包括轉(zhuǎn)速測(cè)量、溫度測(cè)量、油量測(cè)量、電壓測(cè)量。微控制器基于轉(zhuǎn)速反饋控制算法有效地保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，從而保證電壓恒定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與國(guó)外的GY?701定速器/陀螺儀相比，該系統(tǒng)可控制的范圍更大，且降低了裝機(jī)成本的同時(shí)還可擺脫對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴。

關(guān)鍵詞： 無(wú)人機(jī); 閉環(huán)控制系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 轉(zhuǎn)速控制; 測(cè)量流程; 實(shí)驗(yàn)分析

中圖分類號(hào)： TN876?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）20?0071?03

Multi?rotor UAV closed?loop control system for long?endurance power supply

YANG Dongyu， WANG Ying， DENG Ying， XU Mingqi

（Northeast Normal University， Changchun 130024， China）

Abstract： At present， small UAV （unmanned aerial vehicle） engine constant speed controller still depends on foreign technology， and its price is relatively high. A multi?rotor UAV closed?loop control system is designed to improve the performance of UAV and get rid of dependence on foreign countries. The system is composed of fuel tank， engine， shaft， generator， lithium battery， rectifier module， generator control module and system measurement module. The control module includes servo control module， rotational speed control module and STM32?based microcontroller. The measurement module includes rotational speed measurement， temperature measurement， fuel quantity measurement and voltage measurement. Based on the speed feedback control algorithm， the microcontroller can effectively ensure the constant speed of generator and the constant voltage. The experimental results show that the system can control a larger range than the foreign GY?701 speed governor/gyroscope， which reduces the installed cost and gets rid of dependence on foreign technology simultaneously.

Keywords： UAV; closed?loop control system; system design; rotational speed control; measurement process; experimental analysis

0? 引? 言

小型無(wú)人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，但由于電動(dòng)無(wú)人機(jī)電池容量的問(wèn)題，飛行時(shí)間只能達(dá)到20 min左右，使其發(fā)展空間非常有限，尤其是在森林、山地等復(fù)雜地區(qū)。而油電混合無(wú)人機(jī)則可以根據(jù)需求對(duì)油箱大小進(jìn)行改裝達(dá)到長(zhǎng)續(xù)航的目的。油電混合無(wú)人機(jī)在面對(duì)復(fù)雜環(huán)境時(shí)，其生存能力遠(yuǎn)大于電動(dòng)無(wú)人機(jī);在執(zhí)行搜索協(xié)助、物流運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)時(shí)可搭載多款任務(wù)載荷，真正地做到一機(jī)多用的功能。

無(wú)人機(jī)的負(fù)載變化常常不可預(yù)測(cè)，而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速又極易受負(fù)載影響[1]，只有保障將轉(zhuǎn)速控制好，才能提升無(wú)人機(jī)的應(yīng)用性能[2]。采用電子調(diào)速代替機(jī)械式調(diào)速的方法，既能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能，又不至于大幅度提高成本，然而目前小型無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)恒速控制器依然依賴國(guó)外技術(shù)，且價(jià)格比較高昂。因此，為了降低裝機(jī)成本，擺脫對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴，發(fā)動(dòng)機(jī)恒速控制的自主研發(fā)是十分有必要的。

1? 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

該油電混合系統(tǒng)主要由油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸、發(fā)電機(jī)、整流模塊、發(fā)電機(jī)控制模塊及測(cè)量模塊組成。

1.1? 控制模塊

發(fā)電機(jī)控制模塊主要包括轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊、舵機(jī)控制模塊、微控制器。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸與發(fā)電機(jī)相連，帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電;發(fā)電機(jī)通過(guò)整流模塊，將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電給無(wú)人機(jī)、各個(gè)控制模塊以及鋰電池供電。發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊與微控制器進(jìn)行電氣連接，微控制器基于轉(zhuǎn)速反饋控制算法，將測(cè)量轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速比較得出反饋信號(hào)并將其輸出給舵機(jī)控制模塊。舵機(jī)控制模塊控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度，從而不斷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使其電壓最終達(dá)到穩(wěn)定，從而提升油電混合無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的控制性能。設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.2? 測(cè)量模塊

系統(tǒng)在工作過(guò)程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種數(shù)據(jù)以保證系統(tǒng)工作時(shí)的安全性，系統(tǒng)測(cè)量設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

1.2.1? 轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊

目前比較常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法有三種，分別為M 法、T 法、M/T 法。通過(guò)對(duì)三種測(cè)速方法進(jìn)行比較分析，決定選用M法測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。M法測(cè)速的公式為：

[n=60M1TP]? ? ? ? ? ?（1）

式中：[TP]為檢測(cè)周期，單位為s;[M1]為在[TP]內(nèi)的脈沖數(shù);n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

轉(zhuǎn)速測(cè)量采用霍爾傳感器3144，當(dāng)磁鐵有靠近?遠(yuǎn)離傳感器的動(dòng)作時(shí)，即可產(chǎn)生脈沖信號(hào)。而STM32F103單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器有輸入捕捉功能，可以捕捉外部脈沖。每當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，傳感器3144都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的輸入捕捉單元捕捉到外部脈沖時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器便開始計(jì)數(shù)。在檢測(cè)周期結(jié)束后，返回當(dāng)前計(jì)數(shù)值，將計(jì)數(shù)寄存器清除，并將計(jì)數(shù)值代入式（1）中便可計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.2.2? 溫度測(cè)量模塊

在系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，溫度會(huì)升高，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)容易引起器件損壞、影響飛行控制、無(wú)人機(jī)著火等安全性問(wèn)題，所以實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度是必要的。該系統(tǒng)設(shè)置的安全溫度為140 ℃，當(dāng)溫度高于140 ℃時(shí)便報(bào)警。

PT100具有測(cè)量范圍廣（-50～600 ℃）、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。常用的鉑電阻接法有三線制和兩線制，其中，三線制接法相比兩線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將PT100的兩側(cè)相等的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上，消除導(dǎo)線的電阻 [3]。所以本設(shè)計(jì)采用三線制橋式測(cè)溫電路，如圖3所示。

理論上，運(yùn)放輸出電壓為輸入壓差信號(hào)乘放大倍數(shù)，但實(shí)際上在電路工作時(shí)壓差信號(hào)比理論值小很多，實(shí)際輸出信號(hào)為：

[V0=5.0·RPTR1+RPT-RV2R1+RV2]? ? ? （2）

式中：[R1]=3.6 kΩ;[RV2]=100 Ω;[RPT]為PT100的阻值。通過(guò)輸出電壓[V0]計(jì)算出[RPT]，利用查表法得出此時(shí)的溫度。

2? 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STM32芯片進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，軟件部分主要包括PID恒速閉環(huán)控制、物理量測(cè)量、LCD顯示、報(bào)警系統(tǒng)等。軟件總體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

2.1? PID恒速閉環(huán)控制

2.1.1? PID算法

PID算法是工程中應(yīng)用最為廣泛的控制算法之一，具有原理簡(jiǎn)單、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[4]。其控制原理圖如圖5所示。PID算法的離散化公式為：

[Δuk=KPΔek+KIek+KDΔek-ek-1]? ? （3）

式中：[Δek=ek-ek-1];[KP]，[KI]，[KD]分別為比例、積分和微分項(xiàng)系數(shù)。

比例控制能迅速反應(yīng)誤差從而減小穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差;積分控制中的積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨時(shí)間的增加積分項(xiàng)會(huì)增大，這樣即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨時(shí)間的增大而加大。它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小[5]，直至等于0。所以，比例加積分控制器可使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。發(fā)電機(jī)速度不存在突變，則微分項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)性能影響甚微，所以本系統(tǒng)采用PI方式控制。

2.1.2? PID運(yùn)算過(guò)程

STM32單片機(jī)采集轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊的信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出實(shí)際轉(zhuǎn)速。將實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較得出反饋信號(hào)，再將此反饋信號(hào)輸出給舵機(jī)控制模塊，舵機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度，不斷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，以維持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。PID程序流程圖如圖6所示。

3? 實(shí)驗(yàn)分析

3.1? 系統(tǒng)樣機(jī)

裝置整體框架由油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、整流模塊、散熱板、傳感器組以及液晶顯示屏構(gòu)成。機(jī)械連接處均用鋁合金型材料搭建，器材亦選用輕小材料，保證該系統(tǒng)的輕巧，為提高效率打基礎(chǔ)。供電系統(tǒng)實(shí)物如圖7所示。

3.2? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能，通過(guò)設(shè)置不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速讓其調(diào)節(jié)。系統(tǒng)剛上電時(shí)讓其維持低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行預(yù)熱，再經(jīng)過(guò)閉環(huán)控制。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)均能快速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速;且在施加干擾后，該控制系統(tǒng)也很快起到了作用，使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速回到了目標(biāo)轉(zhuǎn)速。因此該控制系統(tǒng)有較好的控制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖如圖8所示。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)兼顧了高穩(wěn)定性和高節(jié)能性。該系統(tǒng)基于STM32單片機(jī)利用PID控制，對(duì)混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及各個(gè)輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，并進(jìn)行轉(zhuǎn)速恒定控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制效果較為明顯，并具有較高的穩(wěn)定性。從而使該系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化了飛控系統(tǒng)，降低了裝機(jī)成本，而且擺脫了對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴。

注：本文通訊作者為徐明奇。

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