一种基于分布式架构的无人机发动机控制系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机活塞动力控制技术领域，更具体地说是一种基于分布式架构的无人机发动机控制系统及方法。

背景技术

无人机作为一种通用航空工具，在军事侦察、应急通讯、抢险救灾等越来越多的场合发挥了无可替代的重要作用。二冲程发动机作为一种高功重比的动力装置，其能够为相应无人机提供较长时间的充沛动力，是中小型无人机的首选动力源。

目前无人机用活塞式发动机基本采用集中式控制架构，即由一个控制单元承担所有传感器数据接收、数据处理、指令发送与执行等全部任务，这种方法结构简单、硬件成本低，但是也有着可靠性不高、扩展性差、系统功能冗余度不够的缺点，单个功能的失效，就有可能导致整个系统的崩溃。而无人机动力系统对安全冗余度的要求非常严苛，因此集中式控制架构越来越难以满足无人机动力系统的控制需求，有多个控制单元的分布式控制系统由此产生，避免了因为单个控制单元功能失效导致的系统整体崩溃，可以实现更高的安全冗余度、可拓展性、灵活性和更低的维护成本。

分布式控制架构已广泛应用在动力系统中，但是考虑到无人机动力对系统稳定性的严苛要求，分布式架构在无人机动力控制系统上的应用具有一定的难度和特殊性。

因此，本发明提出了适用于无人机活塞动力控制的发动机分布式控制架构及相应的控制方法来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决这些困难，开发了一种基于分布式架构的无人机发动机控制系统及方法，以实现背景技术中更高的安全冗余度、可扩展性、灵活性和更低的维护成本。

为了实现上述目的，将无人机用水平对置二冲程四缸发动机设计为分布式控制架构，本发明具体采用如下技术方案：

一种基于分布式架构的无人机发动机控制系统，

二冲程水平对置四缸发动机的第一气缸、第二气缸设置有第一传感器组和第一执行器，且第一传感器组和第一执行器与第一控制单元通信连接；

二冲程水平对置四缸发动机的第三气缸、第四气缸设置有第二传感器组和第二执行器，且第二传感器组和第二执行器与第二控制单元通信连接；

第一控制单元和第二控制单元通过CAN总线连接；

第一控制单元和第二控制单元均与地面飞控通信连接。

上述的系统，可选的，第一传感器组包括但不限于：第一曲轴位置传感器、第一节气门位置传感器、第一缸盖温度传感器、第二缸盖温度传感器；

第二传感器组包括但不限于：第二曲轴位置传感器、第二节气门位置传感器、第三缸盖温度传感器、第三缸盖温度传感器。

上述的系统，可选的，第一控制单元和第二控制单元结构相同，均包括传感器接口电路、微处理器、功率驱动电路、通信处理电路；

其中，传感器接口电路、功率驱动电路、通信处理电路均与微处理器连接。

上述的系统，可选的，第一控制单元和第二控制单元还包括用于供电的电源模块。

一种基于分布式架构的无人机发动机控制方法，应用于上述任一项所述的一种基于分布式架构的无人机发动机控制系统，包括以下步骤：

S1、二冲程水平对置四缸发动机进入工作状态时，第一控制单元持续采集第一传感器组和第一执行器的数据，得到第一数据集；第二控制单元持续采集第一传感器组和第二执行器的数据，得到第二数据集；

S2、第一控制单元和第二控制单元通过CAN接口通信进行第一数据集和第二数据集的传输；

S3、第一控制单元和第二控制单元分别对第一数据集和第二数据集进行分析比对，判断数据间差异是否超过阈值；

S4、若超过阈值，第一控制单元和第二控制单元判断故障位置并累加错误代码告知地面飞控，同时采取针对当前故障的应对策略，保证无人机安全工作。

上述的方法，可选的，S1中第一数据集包括：第一曲轴角度、第一气缸缸盖温度、第二气缸缸盖温度、第一节气门开度、第一执行器数据；第二数据集包括：第二曲轴角度、第三气缸缸盖温度、第四气缸缸盖温度、第二节气门开度、第二执行器数据。

上述的方法，可选的，S3中的阈值为通过实验标定获得。

上述的方法，可选的，S3的具体内容包括：

判断第一曲轴角度与第二曲轴角度差值是否偏离180°；

判断第一气缸缸盖温度、第二气缸缸盖温度、第三气缸缸盖温度、第四气缸缸盖温度是否异常；

对比判断第一节气门开度、第二节气门开度是否一致；

判断第一执行器数据和第二执行器数据是否正常。

上述的方法，可选的，S4的具体内容包括：

当第一曲轴角度与第二曲轴角度差值偏离180°时，确定发生故障的传感器，以正常工作的曲轴角度传感器的角度值加180°替代故障的曲轴角度传感器的值，同时，根据故障数量累加故障代码crank_sensor_err，此值大于等于2时向地面飞控发送降落请求；

当第一气缸缸盖温度、第二气缸缸盖温度、第三气缸缸盖温度、第四气缸缸盖温度中的一个或多个温度异常，则说明对应的气缸温度传感器发生故障，根据故障数量累加故障等级代码tem_sensor_err，此值大于等于2时向地面飞控发送降落请求；

若第一节气门开度、第二节气门开度不一致，则通过缸盖温度、转速曲线来判断是机械同步结构故障还是第一节气门位置传感器和/或第一节气门位置传感器故障；若是第一节气门位置传感器和/或第一节气门位置传感器故障，将正常工作的气门位置传感器发来的开度替代故障气门位置传感器的开度进行下一步发动机控制，根据故障数量累加故障等级代码throttle_sensor_err，此值大于等于2时向地面飞控发送降落请求；若是机械同步结构故障，加大机械同步结构正常缸的功率，直接请求降落；

若执行器信号异常，则采集缸温、转速信号分析变化趋势，若缸温、转速信号也异常，说明执行器故障，立即加大另一个正常工作的控制单元控制的气缸功率，报告地面飞控，由地面飞控决定是否降落检查维修；若缸温、转速信号正常，控制单元检查自身模块是否故障并记录故障类型，报告地面飞控，由地面飞控决定是否降落检查维修。

上述的方法，可选的，还包括第一控制单元和第二控制单元部分模块异常：

当某个模块发生故障后，对应控制单元判断发生故障的模块和故障类型并告知地面飞控，由地面飞控决定是否给无人机下达降落指令。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于分布式架构的无人机发动机控制系统及方法，具有以下有益效果：

1)对于无人机工作安全性要求高、故障后果较严重的动力系统，双控制单元分布式架构相比于单一控制单元可靠性更高，能够实现传感器数据监测、异常数据在线校正、替代，执行器控制，对于故障及时判断并采取相应控制策略，降低无人机事故概率，提高无人机工作的安全冗余度；

2)对于故障等级明确分类，对于发动机工作影响较小、能通过算法修正的故障仅向地面飞控报告而不强制无人机降落；对于故障等级累加超过阈值的情况，首先保持发动机动力防止坠毁，同时向地面飞控发送降落请求。最大程度降低故障损失，增大了故障应对策略的灵活性与扩展性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种基于分布式架构的无人机发动机控制系统结构框图；

图2为本发明实施例中的无人机二冲程水平对置四缸发动机分布式控制系统的基本架构；

图3为本发明的曲轴位置传感器故障应对策略流程图；

图4为本发明的缸盖温度传感器故障应对策略流程图；

图5为本发明的节气门位置传感器故障应对策略流程图；

图6为本发明的执行器和控制单元模块故障应对策略流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

参见图2所示，本发明将无人机用水平对置二冲程四缸发动机设计为分布式控制架构，具体控制策略如下：

1)正常工作状态下的分布式架构控制策略

当发动机正常工作时，两个控制单元各自开始独立地采集发动机前后排气缸的缸温、节气门开度、曲轴转速等信息，控制单元间通过CAN接口进行通信，传输发动机关键参数信息，计算比对两个控制单元各自采样到的传感器、执行器数据。

2)参数比对异常后的故障等级判断与处理

传感器信号异常

曲轴位置传感器信号异常

在二冲程四缸发动机的分布式架构中，两个曲轴位置传感器按180°的间隔安装在前后排气缸的曲轴上，如果工作过程中两个控制单元采集到的曲轴角度的差值明显偏离180°，即可说明至少一个曲轴位置传感器出现异常。此时，控制单元根据其他传感器数据判断出发生故障的传感器并停止采集其错误数据，若仅有一个曲轴传感器故障，则采用另一个控制单元采集的曲轴角度加上180°作为替代值，保证控制单元按照可信的曲轴数据工作。

根据上述单个传感器的故障应对策略，一个曲轴位置传感器出现故障对发动机工作影响较小，曲轴传感器故障等级代码crank_sensor_err由0加1，发送给地面飞控；若两个曲轴位置传感器都出现异常，故障等级代码再次加1，此时为2，发送给地面飞控请求降落检查维修。两个传感器均出现故障时，控制单元根据宽齿大致判断曲轴位置，在宽齿信号后延时一定时间点火、喷油，防止发动机熄火。

3)缸盖温度传感器信号异常

发动机工作过程中，四个气缸所处的环境温度与大气压力基本相同，发动机转速也基本一致，但是各气缸距离螺旋桨位置不同，导致气流对各缸的对流传热系数有差异，故4个气缸缸盖温度存在一定的函数关系，通过同侧气缸与对置气缸的温度可计算出该缸盖的温度。

例如需要计算1缸的理论缸盖温度，负责1缸的控制单元A会采集1缸和对置缸(2缸)的缸盖温度，另一控制单元B会将同侧缸(3缸)缸盖温度发送给A，控制单元A根据经验函数计算出1缸的理论缸盖温度。当控制单元A采集的1缸缸盖温度与计算的缸盖温度差值大于标定值时说明1，2，3缸中至少一个缸盖温度传感器发生异常。此时控制单元开始监测各气缸温度变化曲线，通过数据对比找出发生故障的缸盖温度传感器。

若仅有一个温度传感器出现故障，将缸盖温度传感器故障等级代码tem_sensor_err加1并发送给地面飞控，做出对应故障处理：控制单元停止使用该传感器采集的异常温度数据，而是根据理论温度计算点火提前角、喷油脉宽等参数，维持发动机的稳定运行；若不止一个温度传感器出现故障，累加缸盖温度传感器故障等级代码tem_sensor_err，当故障等级代码大于等于2时向地面飞控发送降落请求。

4)节气门位置传感器信号异常

在二冲程水平对置四缸活塞发动机中，位于同侧气缸的节气门位置传感器通常采用机械同步结构，即前后排气缸对应的节气门开度应保持一致。当两个节气门开度不一致时，有以下两种可能：通过缸盖温度判断是否是机械同步结构出现问题；通过转速曲线和缸温曲线是否波动判断传感器是否异常。

若仅有一缸节气门位置传感器发生故障，节气门位置传感器故障等级代码throttle_sensor_err加1发送给地面飞控，并以另一缸节气门开度取代此缸节气门开度；若两缸节气门位置传感器皆故障，故障等级代码为2，向地面飞控发送降落请求。如果是机械同步结构出现问题，加大机械结构正常的缸的功率，同时故障等级代码直接为2，请求降落。

5)控制单元部分模块异常

控制单元主要包含传感器接口电路、微处理器、功率驱动电路、通信处理电路、电源模块五个部分，当某个模块发生故障后，控制单元判断发生故障的模块和故障类型并告知地面飞控，由地面飞控决定是否给无人机下达降落指令。

6)执行器工作异常

二冲程水平对置四缸发动机的执行器主要有喷油器、节气门与点火线圈。执行器信号异常时，控制单元先通过分析发动机转速、缸温等参数变化判断执行器是否故障，若确定是某重要执行器发生故障后，无人机立即加大另一正常工作控制单元控制的气缸功率，避免无人机由于动力不足发生坠毁；若不是执行器故障，控制单元检查自身模块是否异常，参见2)中的控制策略。

基于上述控制策略，本发明公开了一种基于分布式架构的无人机发动机控制系统，具体参见图1：

二冲程水平对置四缸发动机的第一气缸、第二气缸设置有第一传感器组和第一执行器，且第一传感器组和第一执行器与第一控制单元通信连接；

二冲程水平对置四缸发动机的第三气缸、第四气缸设置有第二传感器组和第二执行器，且第二传感器组和第二执行器与第二控制单元通信连接；

第一控制单元和第二控制单元通过CAN总线连接；

第一控制单元和第二控制单元均与地面飞控通信连接。

进一步的，第一传感器组包括但不限于：第一曲轴位置传感器、第一节气门位置传感器、第一缸盖温度传感器、第二缸盖温度传感器；

第二传感器组包括但不限于：第二曲轴位置传感器、第二节气门位置传感器、第三缸盖温度传感器、第三缸盖温度传感器。

进一步的，第一控制单元和第二控制单元结构相同，均包括传感器接口电路、微处理器、功率驱动电路、通信处理电路；

其中，传感器接口电路、功率驱动电路、通信处理电路均与微处理器连接。

进一步的，第一控制单元和第二控制单元还包括用于供电的电源模块。

与图1相对应的，本发明还公开了一种基于分布式架构的无人机发动机控制方法应用于图1所述一种基于分布式架构的无人机动力系统控一种基于分布式架构的无人机发动机控制制系统，包括以下步骤：

S1、二冲程水平对置四缸发动机进入工作状态时，第一控制单元持续采集第一传感器组和第一执行器的数据，得到第一数据集；第二控制单元持续采集第一传感器组和第二执行器的数据，得到第二数据集；

S2、第一控制单元和第二控制单元通过CAN接口通信进行第一数据集和第二数据集的传输；

S3、第一控制单元和第二控制单元分别对第一数据集和第二数据集进行分析比对，判断数据间差异是否超过阈值；

S4、若超过阈值，第一控制单元和第二控制单元判断故障位置并累加错误代码告知地面飞控，同时采取针对当前故障的应对策略，保证无人机安全工作。

进一步的，S1中第一数据集包括：第一曲轴角度、第一气缸缸盖温度、第二气缸缸盖温度、第一节气门开度、第一执行器数据；第二数据集包括：第二曲轴角度、第三气缸缸盖温度、第四气缸缸盖温度、第二节气门开度、第二执行器数据。

进一步的，S3中的阈值为通过实验标定获得。

进一步的，S3的具体内容包括：

判断第一曲轴角度与第二曲轴角度差值是否偏离180°；

判断第一气缸缸盖温度、第二气缸缸盖温度、第三气缸缸盖温度、第四气缸缸盖温度是否异常；

对比判断第一节气门开度、第二节气门开度是否一致；

判断第一执行器数据和第二执行器数据是否正常。

具体的，要判断一个气缸缸盖温度t

Δt＝t

t

然后计算理论值与真实值的温差ΔT，若ΔT大于阈值，则说明该缸缸盖温度传感器工作异常，采用上述计算的理论值进行控制。

进一步的，S4的具体内容包括：

参见图3所示，当第一曲轴角度与第二曲轴角度差值偏离180°时，确定发生故障的传感器，以正常工作的曲轴角度传感器的角度值加180°替代故障的曲轴角度传感器的值，保证控制单元以可信的数据进行后续控制工作。同时，根据故障数量累加故障代码crank_sensor_err，此值大于等于2时向地面飞控发送降落请求；

参见图4所示，当第一气缸缸盖温度、第二气缸缸盖温度、第三气缸缸盖温度、第四气缸缸盖温度中的一个或多个温度异常，则说明对应的气缸温度传感器发生故障，根据故障数量累加故障等级代码tem_sensor_err，此值大于等于2时向地面飞控发送降落请求；

参见图5所示，若第一节气门开度、第二节气门开度不一致，则通过缸盖温度、转速曲线来判断是机械同步结构故障还是第一节气门位置传感器和/或第一节气门位置传感器故障；若是第一节气门位置传感器和/或第一节气门位置传感器故障，将正常工作的气门位置传感器发来的开度替代故障气门位置传感器的开度进行下一步发动机控制，根据故障数量累加故障等级代码throttle_sensor_err，此值大于等于2时向地面飞控发送降落请求；若是机械同步结构故障，加大机械同步结构正常缸的功率，直接请求降落；

参见图6所示，若执行器信号异常，则采集缸温、转速信号分析变化趋势，若缸温、转速信号也异常，说明执行器故障，立即加大另一个正常工作的控制单元控制的气缸功率，报告地面飞控，由地面飞控决定是否降落检查维修；若缸温、转速信号正常，控制单元检查自身模块是否故障并记录故障类型，报告地面飞控，由地面飞控决定是否降落检查维修。

进一步的，还包括第一控制单元和第二控制单元部分模块异常：

当某个模块发生故障后，对应控制单元判断发生故障的模块和故障类型并告知地面飞控，由地面飞控决定是否给无人机下达降落指令。

综上，本发明对无人机用二冲程水平对置四缸发动机前、后排气缸分别用两个电子控制单元进行分布式控制，当无人机进入工作工况后，两个电控单元各自开始独立地采集发动机前后排气缸的缸温、节气门开度、曲轴转速等信息，同时控制两排气缸的喷油、点火等动作，两个电控单元通过CAN接口进行通信，传输发动机关键参数信息，比对两个控制单元各自采样到的传感器、执行器数据；关键参数对比异常后，电控单元将对数据按照规则进行判断，用两个数据中合理的值替代异常数据，保证两个电控单元都能按照可信数据工作。另外，按照故障严重等级，采取相应的故障应对策略，最大程度保证飞行安全。同时告知地面飞控故障严重程度，由飞控人员根据具体情况采取处置措施。以分布式架构实现传感器数据监测、异常数据在线校正、替代，执行器控制，对于故障及时判断并采取相应控制策略，降低了无人机发生事故的概率，提高了无人机工作的安全冗余度。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。