多旋翼無人機(jī)長續(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，小型無人機(jī)發(fā)動機(jī)恒速控制器依然依賴國外技術(shù)，且價格比較高昂。為了解決提升無人機(jī)性能、擺脫對國外依賴等問題，設(shè)計多旋翼無人機(jī)長續(xù)航供電閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由油箱、發(fā)動機(jī)、傳動軸、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;測量模塊包括轉(zhuǎn)速測量、溫度測量、油量測量、電壓測量。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。實驗結(jié)果表明，與國外的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)成本的同時還可擺脫對國外技術(shù)的依賴。

關(guān)鍵詞： 無人機(jī); 閉環(huán)控制系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計; 轉(zhuǎn)速控制; 測量流程; 實驗分析

中圖分類號： TN876?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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，但由于電動無人機(jī)電池容量的問題，飛行時間只能達(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)。而油電混合無人機(jī)則可以根據(jù)需求對油箱大小進(jìn)行改裝達(dá)到長續(xù)航的目的。油電混合無人機(jī)在面對復(fù)雜環(huán)境時，其生存能力遠(yuǎn)大于電動無人機(jī);在執(zhí)行搜索協(xié)助、物流運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)時可搭載多款任務(wù)載荷，真正地做到一機(jī)多用的功能。

無人機(jī)的負(fù)載變化常常不可預(yù)測，而發(fā)動機(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)動機(jī)的各項性能，又不至于大幅度提高成本，然而目前小型無人機(jī)發(fā)動機(jī)恒速控制器依然依賴國外技術(shù)，且價格比較高昂。因此，為了降低裝機(jī)成本，擺脫對國外技術(shù)的依賴，發(fā)動機(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

該油電混合系統(tǒng)主要由油箱、發(fā)動機(jī)、傳動軸、發(fā)電機(jī)、整流模塊、發(fā)電機(jī)控制模塊及測量模塊組成。

1.1? 控制模塊

發(fā)電機(jī)控制模塊主要包括轉(zhuǎn)速測量模塊、舵機(jī)控制模塊、微控制器。發(fā)動機(jī)通過傳動軸與發(fā)電機(jī)相連，帶動電機(jī)發(fā)電;發(fā)電機(jī)通過整流模塊，將三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電給無人機(jī)、各個控制模塊以及鋰電池供電。發(fā)動機(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，將測量轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速比較得出反饋信號并將其輸出給舵機(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人機(jī)系統(tǒng)的控制性能。設(shè)計框圖如圖1所示。

1.2? 測量模塊

系統(tǒng)在工作過程中需要實時監(jiān)測各種數(shù)據(jù)以保證系統(tǒng)工作時的安全性，系統(tǒng)測量設(shè)計框圖如圖2所示。

1.2.1? 轉(zhuǎn)速測量模塊

目前比較常用的轉(zhuǎn)速測量方法有三種，分別為M 法、T 法、M/T 法。通過對三種測速方法進(jìn)行比較分析，決定選用M法測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。M法測速的公式為：

[n=60M1TP]? ? ? ? ? ?（1）

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

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

1.2.2? 溫度測量模塊

在系統(tǒng)進(jìn)行工作時，溫度會升高，當(dāng)溫度過高時容易引起器件損壞、影響飛行控制、無人機(jī)著火等安全性問題，所以實時檢測發(fā)動機(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 ℃時便報警。

PT100具有測量范圍廣（-50～600 ℃）、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。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)點是將PT100的兩側(cè)相等的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，消除導(dǎo)線的電阻 [3]。所以本設(shè)計采用三線制橋式測溫電路，如圖3所示。

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

[V0=5.0·RPTR1+RPT-RV2R1+RV2]? ? ? （2）

式中：[R1]=3.6 kΩ;[RV2]=100 Ω;[RPT]為PT100的阻值。通過輸出電壓[V0]計算出[RPT]，利用查表法得出此時的溫度。

2? 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用STM32芯片進(jìn)行軟件設(shè)計，軟件部分主要包括PID恒速閉環(huán)控制、物理量測量、LCD顯示、報警系統(tǒng)等。軟件總體設(shè)計框圖如圖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，具有原理簡單、適用范圍廣等優(yōu)點[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對誤差取決于時間的積分，隨時間的增加積分項會增大，這樣即便誤差很小，積分項也會隨時間的增大而加大。它推動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)后無穩(wěn)態(tài)誤差。發(fā)電機(jī)速度不存在突變，則微分項對系統(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)算過程

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

3? 實驗分析

3.1? 系統(tǒng)樣機(jī)

裝置整體框架由油箱、發(fā)動機(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)實物如圖7所示。

3.2? 實驗結(jié)果分析

為驗證該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能，通過設(shè)置不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速讓其調(diào)節(jié)。系統(tǒng)剛上電時讓其維持低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行預(yù)熱，再經(jīng)過閉環(huán)控制。經(jīng)過多次實驗，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。實驗結(jié)果圖如圖8所示。

4? 結(jié)? 語

本文設(shè)計的混合動力無人機(jī)發(fā)動機(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，對混合動力無人機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及各個輸出信號進(jìn)行實時監(jiān)管，并進(jìn)行轉(zhuǎn)速恒定控制。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(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，而且擺脫了對國外技術(shù)的依賴。

注：本文通訊作者為徐明奇。

參考文獻(xiàn)

[1] 孟令民，曾慶華，李安偉，等.自走式無人駕駛植保機(jī)用發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計[J].內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2019（1）：40?44.

[2] 韋鳳.小型無人機(jī)發(fā)動機(jī)控制器的研究與設(shè)計[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（17）：44?45.

[3] 劉偉，李晶.三線制PT100熱電阻測溫電路的設(shè)計[J].河南科技，2014（7）：212.

[4] 杜警，竇艷艷.PWM直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2018，17（1）：92?95.

[5] 張軍，陳思茹，曹繼項，等.基于雙閉環(huán)PID的挖掘機(jī)發(fā)動機(jī)自學(xué)習(xí)控制方法[J].長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，36（4）：111?118.

[6] 曹景.小型無人直升機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計[D].廣州：華南理工大學(xué)，2017.

[7] 寧大方.混合動力汽車的節(jié)能控制模式設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（21）：136?140.

[8] 陸廣華，田愛軍，王德銘.混合動力汽車發(fā)動機(jī)節(jié)能控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（6）：84?87.

[9] DU Zhenbin， ZHANG Jinghui. A novel approach to adaptive fuzzy tracking control for uncertain nonlinear time?delay systems [C]// 第三十二屆中國控制會議論文集.西安：[s.n.]，2013：89?93.

[10] 王欣峰，任淑萍.基于模糊PID的AVR單片機(jī)智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（15）：179?182.

[11] 牛國臣，張云霄.基于STM32的24路舵機(jī)同步控制系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（10）：151?155.