轻小型油动无人机的能源管理系统及应用方法与流程

1.本发明涉及一种设备集成管理领域。更具体地说，本发明涉及一种轻小型油动无人机的能源管理系统及应用方法。


背景技术：

2.随着无人机技术越来越普及，轻小型油动无人机因其航时和载重能力的优势，使其在工业领域的应用也受到人们的青睐与重视。目前轻小型油动无人机由于其工业化应用需求，在安全性和可靠性上已经提出了新的要求，原来大量采用航模体制的航电系统配置方式已转向定制化工业级产品，作为轻小型油动无人机最为重要的供电系统管理已成为制约系统安全性的重要设备。
3.而现有技术中，对于航天器来说，已有相当完善的能源管理系统，但其无法直接应用于轻小型油动直升机(无人机)，其原因在于：轻小型油动直升机体积较小，现有的能源管理系统针对大型的无人机，这类无人机载重大，配备专用的能源管理系统；部分重量超过100kg的小型无人机也有专用的能源管理系统；航模体制轻型无人机因载重和体积原因，未配备专用能源管理系统；轻小型油动直升机在航模体制上进行了改进，增大了发动机的动力，提高了尺寸和重量，在转向工业级产品时，尤其需要一款专用的能源管理系统。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
5.为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种轻小型油动无人机的能源管理系统，包括：
6.能源管理控制板；
7.通过数据总线与能源管理控制板通信连接的发动机监控模块、电量监控模块、温度监控模块以及其它功能性监控模块；
8.其中，所述能源管理控制板为基于stm32的综合控制板，所述综合控制板通过光电耦合器与发动机监控模块的转速传感器组通信连接；
9.所述综合控制板与电量监控模块通过ad采集芯片进行通信连接。
10.优选的是，在电量监控模块的被测电压处，通过对应的分压电阻进行分压处理，再经隔离放大器件将电压放大至0～2v后，输入至ad采集芯片；
11.在电量监控模块的被测电流处，通过霍尔电流传感器将电流按比例转化至0～5v后，输入至ad采集芯片；
12.其中，综合控制板通过spi总线获取ad芯片采集到的电压信息，并转换成相应的电流或电压。
13.优选的是，轻小型油动无人机的电力输入为发电机和/或机载电池，所述综合控制板与发电机之间通过整流器连接；
14.所述电量监控模块被配置为包括：
15.与综合控制板连接，以提供14.4v、12v工作电压的第一隔离电源模块；
16.与综合控制板连接，以提供7.4v工作电压的第二隔离电源模块；
17.其中，所述第一隔离电源模块、第二隔离电源模块与综合控制板之间还有相配合的电量传感器组。
18.优选的是，所述转速传感器被配置为包括：
19.与点火器通信连接的第一转速传感器以及与备用测量发动机主轴和/或主螺旋桨轴通信连接的第二转速传感器。
20.优选的是，所述其它功能性监控模块被配置为包括：
21.对油量进行监测的第一传感器；
22.对轮载进行监测的第二传感器；
23.所述温度监控模块被配置为包括：
24.所述温度监控模块对发动机、机舱的温度采集均配置为采用ntc3950 10k温度电阻实现。
25.一种轻小型油动无人机的能源管理系统的应用方法，通过综合控制板与发动机监控模块、电量监控模块、温度监控模块以及其它功能性监控模块的数据通信，使得系统可工作于温度管理模式、电源管理模式以及发动机管理模式下，完成对各监测模块的综合、联动控制。
26.优选的是，在温度管理模式下，各采样点的温度电阻将实时获取的温度数据通过数据总线传递给综合控制板；
27.所述综合控制板对获取的温度数据进行识别以得到对应的采样点位置信息；
28.所述综合控制板基于采样点的位置信息，通过超温控制逻辑对特定区域的降温设备进行驱动与控制。
29.优选的是，在电源管理模式下，发电机供应的电力通过整流器整流成14.4v的电压后输入至综合控制板，以通过综合控制板为电池充电或输出至第一隔离电源模块，确定无人机整机系统的上下电；
30.第一隔离电源模块将输入的14.4v电压进行稳压处理后，输出12v电压至综合控制板；
31.综合控制板将经第一隔离电源模块稳压后的12v电压进行采样后，输出给第二隔离电源模块和无人机上的12v用电部件；
32.第二隔离电源模块将输入的12v电压进行稳压处理后，输出7.4v电压至综合控制板；
33.综合控制板将经第二隔离电源模块稳压后的7.4v电压进行采样后，输出给无人机上的7.4v用电部件；
34.其中，所述综合控制板通过对应的电量传感器组对电池、各电源模块的电量数据信息进行监控，并基于获取的电量信息对电池性能、整机功耗进行评估、管理。
35.各采样点的温度电阻将实时获取的温度数据通过数据总线传递给综合控制板；
36.所述综合控制板对获取的温度数据进行识别以得到对应的采样点位置信息；
37.所述综合控制板基于采样点的位置信息，通过超温控制逻辑对特定区域的降温设
备进行驱动与控制。
38.优选的是，在发动机管理模式下，控制点火器上电后，综合控制板通过控制继电器的通断来操控起动机以使发动机启动；
39.在发动机启动后，综合控制板基于各转速传感器采集的转速数据信息，对油门舵机和风门舵机的工作状态进行控制；
40.综合控制板基于发动机温度状态，采用分段式转速控制算法，实现定转误差调节；
41.综合控制板基于实时采集的油量数据信息，计算当前油耗，以得到剩余工作时间；
42.综合控制板统计发动机运行时间并进行基础数据存储。
43.本发明至少包括以下有益效果：本发明的综合能源管理系统全面兼容小型燃油双缸发动机供配电同时接入转速和温度信号、油门和风门的控制信号，其起到的效果在于简化无人机电子系统的复杂度、增加无人机感知传感器选择类型、多样化的接口，扩展能力强、实现无人机全机电力综合管理与监控、实现无人机封闭式机体温度综合感知、实现无人机发动机管理与监控、实现工业级无人机能源系统的可维护性和可靠性。
44.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
45.图1为本发明的能源管理系统的通讯连接示意图；
46.图2为本发明的能源管理系统的电连接示意图；
47.图3为本发明的综合控制板的连接原理示意图；
48.图4为本发明的轮载检测电路图；
49.图5为本发明pwm信号的油量检测电路图；
50.图6为本发明的备用数字量检测电路图；
51.图7为本发明的io接口5v电平输出电路图；
52.图8为本发明外接通讯接口的电路示意图；
53.图9为本发明转速测量的左部分电路图；
54.图10为本发明转速测量的右部分电路图；
55.图11为本发明ad采集芯片的左部分电路图；
56.图12为本发明ad采集芯片的右部分电路图；
57.图13为本发明7.4v的电压输出采集的左部分电路图；
58.图14为本发明7.4v的电压输出采集的右部分电路图；
59.图15为本发明中12v稳压电源的电压监测电路图；
60.图16为本发明中点火器的控制电路图；
61.图17为本发明综合控制板与电池、整流器的连接电路，以及综合控制板与电压、电路监测、控制电路的左部分电路图；
62.图18为本发明综合控制板与电池、整流器的连接电路，以及综合控制板与电压、电路监测、控制电路的右部分电路图；
63.图19为本发明温度管理算法的温度控制逻辑示意图；
64.图20为本发明发动机状态机的切换逻辑示意图。
具体实施方式
65.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
66.应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
67.需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
68.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
69.图1-3示出了根据本发明的一种轻小型油动无人机的能源管理系统的实现形式，其中包括：
70.能源管理控制板1，能源管理控制板采用嵌入式微控制，能够兼顾无人机控制的实时性，和载荷数据处理能力的需求；同时，采用标准通信接口，可以采用市面上成熟的产品进行集成，降低了系统综合的难度和复杂度，兼顾了系统的分布式布局和备份功能，提高了系统的安全性；
71.通过数据总线与能源管理控制板通信连接的发动机监控模块2、电量监控模块3、温度监控模块4以及其它功能性监控模块5；
72.其中，所述能源管理控制板为基于stm32的综合控制板，利用基于综合控制板的嵌入式微处理器和标准通信接口的设计，实现无人机飞行控制和航电设备管理的嵌入式计算机系统所述综合控制板通过光电耦合器6与发动机监控模块的转速传感器组通信连接，在实际的应用中，在转速采集、数字量输入、数字量输出、pwm输出均采用光电耦合器hcpl-m600进行隔离，而外部的外接通讯接口使用抗干扰的422芯片adm2582ebrwz，其接口电路如图8所示，其采用的是抗干扰的差分通讯rs422信号，能更好地应对复杂的电磁环境；
73.所述综合控制板与电量监控模块通过ad采集芯片7进行通信连接，控制板能源管理硬件方面，在被测电压处将电压经过电阻分压后，使用隔离放大器件amc1200放大至0～2v，在被测电流处放置霍尔电流传感器，将电流按比例转化至0～5v，stm32通过spi获取ad7606采集到的电压信息转换成相应的电流电压，ad7606的连接电路如图11-12所示，其采用了高速spi通讯接口，该芯片ad 16位比单片机ad 12位精度高，量程(
±
10v内)比单片机(0～3.3v内)宽；
74.本方案在具体的应用时，能源管理系统供电接口采用航模专用接插件，信号接口采用螺纹锁紧的军用接插件，可在更换元器件和板卡时快速插拔；元器件选型充分考虑到高低温使用环境，印制板设计充分考虑到无人机振动环境，本发明专门针对轻小型油动无人机，研制一块基于stm32综合控制板，集成数字量、模拟量输入输出功能，运行rtos实时操作系统，完成无人机的数据采集、状态监控，减轻无人机主控任务压力；针对市面上已知的
传感器，预留了数字量、模拟量接口，可外接其他转速传感器、位移传感器、油量传感器等；预留了抗干扰的通信链路；而目前轻小型油动无人机采用小型双缸发动机，电力系统部分与摩托车类似：电源地、信号地未隔离，没有电流电压温度的数据采集，故本发明的综合能源管理系统全面兼容小型燃油双缸发动机供配电同时接入转速和温度信号、油门和风门的控制信号，其起到的效果在于简化无人机电子系统的复杂度、增加无人机感知传感器选择类型、多样化的接口，扩展能力强、实现无人机全机电力综合管理与监控、实现无人机封闭式机体温度综合感知、实现无人机发动机管理与监控、实现工业级无人机能源系统的可维护性和可靠性。
75.如图2，在另一种实例中，在电量监控模块的被测电压处，通过对应的分压电阻进行分压处理，再经隔离放大器件18将电压放大至0～2v后，输入至ad采集芯片；
76.在电量监控模块的被测电流处，通过霍尔电流传感器19将电流按比例转化至0～5v后，输入至ad采集芯片；
77.其中，综合控制板通过spi总线获取ad芯片采集到的电压信息，并转换成相应的电流或电压。
78.如图1-2，在另一种实例中，轻小型油动无人机的电力输入为发电机8和/或机载电池9，所述综合控制板与发电机之间通过整流器10连接，综合控制板与电池、整流器的连接电路与电压、电路监测、控制电路如图17-18所示，在电路中电压监测采用分压至0～250mv然后隔离放大至0～2v，电流监测采用霍尔电流传感器按比例缩小至0～5v，以上电路均属于隔离采集器件，监测链路与信号输出链路gnd不接通，使系统抗干扰能力增强，使用ad7606器件采集0～5v内电压，可减少单片机ad滤波计算环节；
79.所述电量监控模块被配置为包括：
80.与综合控制板连接，以提供14.4v、12v工作电压的第一隔离电源模块11，图15为第一隔离电源模块输出12v稳压电源的电压监测电路；
81.与综合控制板连接，以提供7.4v工作电压的第二隔离电源模块12，其中7.4v的电压输出采集电路如图13-14所示；
82.其中，所述第一隔离电源模块、第二隔离电源模块与综合控制板之间还有相配合的电量传感器组13。
83.如图2，在另一种实例中，所述转速传感器被配置为包括：
84.与点火器通信连接的第一转速传感器14以及与备用测量发动机主轴和/或主螺旋桨轴通信连接的第二转速传感器15，转速测量的连接电路如图9-10所示，原理图设计时考虑到转速传感器具备不同电压类型，将信号进行了滤波、比较、放大，可将12v以内的信号转换成5v内的高低电平供单片机进行检测；图16为点火器的控制电路，采用光电耦合器隔离控制，具备二极管快速通断和tvs防护。
85.如图1、3在另一种实例中，所述其它功能性监控模块被配置为包括：
86.对油量进行监测的第一传感器16，油量检测为一路，而图5示出了pwm信号的油量检测电路，用于通过油量传感器采集pwm占空比，在实际的应用时0～5v的电压型油量传感器可用图12中预留的2路ad采集输入接口直接采集、检测，图6示出备用数字量检测电路；
87.对轮载进行监测的第二传感器17，轮载检测为两路，而图4示出了其中一路的轮载检测电路；在实际的应用中，图4-6均采用高速光电耦合器进行隔离，输入源信号进行了5v
上拉，避免信号干扰，同时具备稳压二极管保护，输出源采用了不同电源，在stm32连接上选择了具备pwm输入检测、高低电平中断检测功能的引脚。
88.在实际应用中还包括对5v设备的控制，而图7示出了其中一路的控制电路，可用作小功率的板卡上电控制、指示灯闪烁控制；
89.所述温度监控模块被配置为包括：
90.所述温度监控模块对发动机、机舱的温度采集均配置为采用ntc3950 10k温度电阻20实现。
91.在实际的应用中，本发明的管理系统通过综合控制板与发动机监控模块、电量监控模块、温度监控模块以及其它功能性监控模块的数据通信，使得系统可工作于温度管理模式、电源管理模式以及发动机管理模式下，完成对各监测模块的综合、联动控制。
92.能源管理系统全机电源管理方式：输入为机载电池与发电机整流器，经隔离采样后输出到隔离稳压电源模块1，通过控制电源模块1工作状态来决定无人机整机系统的上下电，再将稳压后的12v电源进行采样和输出给电源模块2和用电设备；能源管理系统再对电源模块2输出电源进线采样后输出给7.4v用电设备(油门舵机、风门舵机)，通过对电源数据的监控，能评估电池性能、整机功耗等，为无人机系统制定健康管理；
93.在实际的应用中，通过对数据进行分类，功率等于电压乘以电流的关系，可得出电池充电功耗，整机静态和飞行动态功耗，通过统计运行时间，可统计到电池在不同电压下的充电恢复时间，以此作为电池性能的评估；设置起动机启动时的电压最低值如8.5v，若低于该值将对发动机机械部件进行维护或更换；统计点火器运行后油门舵机大于50％的时间作为统计运行时间，若运行时间达到100h将对系统进行保养和维护。
94.能源管理系统全机温度管理方式：通过外置温度传感器，实现对飞机各个部位(舱内/重点区域)的温度数据的采集，基于专用的板载控制算法(pid控制)，实现温度数据的可靠解析和综合；同时，基于飞机温度控制需求，通过超温控制逻辑实现重点区域的降温设备驱动与控制，从而达到全机温度综合控制的目的；(控制区域分为发动机部位和设备部位，发动机部位运行时温度将保持在60～80度左右，设备部位运行在60度以下，在各部位和临界处设置温度传感器，使用暴力风扇保持设备部位的温度，水冷散热控制发动机的温度)；
95.其中，所述全机温度管理算法被配置为包括：通过构建扩展卡尔曼滤波算法模型，调整合理信号噪声与输入噪声，对测量进行准确估计，从而为飞机内部各个区域进行准确温度测量。根据各区温度控制要求，为降温散热风扇建立pid控制模型，通过各项参数的优化对散热风扇进行合理控制，由此形成对飞机各区温度的闭环反馈控制算法，实现全机温度的综合控制。
96.1.控制逻辑
97.如图19所示，全机温度传感器主要监控发动机缸头温度、冷却水箱温度，以及设备舱内温度，必须保证发动机，机载电子设备处于正常工作温度区间。
98.2.控制算法
99.首先，本发明对于全机关心的温度，如缸头温度、冷却箱温度、设备舱温度，构建状态向量
100.t＝[t
c t
w tb]
t
[0101]
其中，tc为发动机缸头温度，tw为冷却箱温度，tb为设备舱温度。
[0102]
测量向量为
[0103]
y＝[y
c y
w yb]
t
[0104]
建立卡尔曼数据平滑模型，分通道建立各个温度平滑方法，以获得可靠的温度测量值。
[0105]
能源管理系统发动机管理方式：控制点火器上电后，再控制继电器的通断来操控起动机使发动机启动；发动机启动后，根据采集到的点火器和其他转速传感器的值，通过操控油门舵机和风门舵机，再根据发动机温度状态，进行分段式转速控制算法(控制算法为分段式pid，在发动机温度未达到60度，采用怠速运行；发动机温度到达60度以后，先采用较大的pid参数提高转速至额定转速的500转/分以内，然后使用温和的pid参数进行定转调节)，实现定转调节误差1％以内；根据油量实时采集信息，计算出当前油耗，预估剩余工作时间；统计发动机运行时间，为整机维护保养提供参考依据。
[0106]
具体来说，发动机管理算法首先根据无人直升机发动机特性，结合油量测量数据，建立发动机控制模型，设计发动机流程控制算法，实现发动机从启动、工作、关机整个过程的健康控制；通过相似双余度转速传感器，构建表决机制获取准确的发动机转速，结合直升机总距控制要求，设计发动机稳定转速控制pid算法，实现工作过程中发动机转速于额定转速误差1％以内。
[0107]
1.状态机逻辑
[0108]
控制逻辑核心在于合理设置发动机状态机，本发明中根据搭载的低成本双缸发动机，设计了停机、怠速、暖车和定转四种基本工作状态，配合各阶段控制目标设计发动机自动或人工控制指令，从而实现发动机的控制。
[0109]
如图20所示的切换逻辑，根据发动机各个阶段的控制目标，可以设计自动/人工联合的控制指令。
[0110]
2.定转控制算法
[0111]
以下给出本发明针对的发动机定转时自动控制模型，核心算法模型采用pid控制原理，控制目标为发动机转速维持指定转速。
[0112]
throttle＝k
p
*drpm+ki*drpm*dt+kf*thrust
[0113]
式中，throttle为发动机输出油门控制量，drpm为实时转速与目标转速的转速等效差，thrust为无人机主桨总距控制量，k
p
为转速控制比例增益，ki为转速控制积分增益，kf为转速控制前馈增益。
[0114]
当前，经使用测试，k
p
＝0.2，ki＝0.08，kf＝0.1时，可使发动机在定转状态保持转速在1％的误差范围内。
[0115]
以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
[0116]
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
[0117]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。