无人机重油二冲程发动机双模式控制系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及无人机重油二冲程发动机技术领域，特别是涉及一种无人机重油二冲程发动机双模式控制系统及其控制方法。


背景技术：

2.无人机在飞行过程中，需要用到遥控器或地面站进行控制。如近距离飞行，则使用遥控器进行控制；如远距离飞行，则使用地面站控制。目前，遥控器一般用pwm控制方式，地面站一般用串口通信方式，因此作为无人机的发动机，同时具备pwm控制方式和串口指令控制方式是很有必要的。而现在的无人机发动机控制方式基本都是单种模式，即只有pwm控制方式，或只有串口指令控制方式，没有pwm控制和串口指令控制两种模式同时控制的方式。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种无人机重油二冲程发动机双模式控制系统及其控制方法，以达到可以采用pwm控制和串口指令控制两种模式同时控制，同时能够提高发动机的油门响应灵敏度和易启动性的目的。
4.本发明所提供的无人机重油二冲程发动机双模式控制系统，包括发动机控制器、无人机飞控和发动机，其特征是，所述无人机飞控可单独使用pwm信号控制作用于发动机控制器，发动机能正常工作；无人机飞控可单独使用串口指令控制作用于无人机发动机控制器，发动机能正常工作；无人机飞控可使用pwm信号控制和串口指令控制两种方式同时作用于发动机控制器，发动机能正常工作；所述发动机控制器根据pwm信号控制和串口指令控制中的任意一种或两种控制模式的数据变化量，通过控制模式判断算法判定控制模式是否有效，如有效则响应此种模式的控制，自动切换模式，使发动机能正常工作；所述串口指令控制使用双串口，一路串口接到上位机，进行发动机参数调优标定，一路串口接到无人机飞控，实现对发动机的完全控制。
5.进一步，所述发动机控制器在初始化后等待捕捉pwm信号，当捕捉到pwm启动发动机信号或串口启动发动机指令信号，若pwm信号符合pwm模式启动发动机信号格式，或串口指令信号符合串口指令控制模式通信协议启动发动机指令，则启动发动机；发动机控制器在发动机启动成功后捕捉pwm信号，当捕捉到pwm熄火信号或串口熄火指令，如果pwm信号符合pwm模式熄火信号格式，或串口指令符合串口指令控制模式通信协议熄火指令，则使发动机熄火；发动机控制器在发动机启动后捕捉pwm控制模式油门信号数据值或串口指令控制模式油门指令数据值，计算每种模式50ms时间窗口内的数据变化率，当模式数据变化率超过阈值则判定相应模式有效，使用此种模式油门数据值使发动机加减油门。
6.进一步，所述发动机控制器使用了专门的喷嘴和油泵控制电路、对外接口隔离电源电路和对外接口隔离信号（pwm和串口）电路；喷嘴和油泵控制电路使用了恒流电源和多级放大控制电路驱动完全自动保护功率场效应管控制喷嘴和油泵的通断；对外接口隔离电源电路使用了dc-dc模块用于隔离电源、线性稳压器用于降压、三端稳压器用于降压稳压、
开关式升压变换器电路用于产生负电压电源，对外接口隔离信号（pwm和串口）电路使用了rs232收发器进行电平转换、光耦合器进行信号的隔离耦合；发动机控制器的串行通信协议，包括对数据的发送/接收、数据类型、数据内容、数据传输速度的完整定义，形成标准格式，以使无人机飞控和发动机控制器之间对数据进行生成、解析和处理，发动机控制器使用rs232标准接口，通信速率115200bps波特率，校验多项式使用crc-ccitt，所有数据的格式为：帧头2字节 包长4字节 帧序号2字节 命令字1字节 数据 校验字2字节 帧尾2字节。
7.进一步，所述发动机的启动过程为开始启动时首先读取气温、缸温、大气压强，然后检测和校准发动机节气门指令，如果指令为真则校准节气门，为假则读取节气门开度指令，当发动机控制器校准节气门后读取节气门开度指令，然后进入带动启动控制程序，再进入启动后加浓与暖车控制程序，再进入速度与节气门控制程序，然后计算得到点火提前角和喷油脉宽，用9.3kpa至260.9kpa大气压力范围的大气压力值乘以比例系数乘以喷油脉宽，来改善喷油脉宽影响的喷油量，再热启动看门狗并返回继续执行此发动机启动过程，在此过程运行的同时，会产生4种中断并运行其中断服务程序，分别是定时器中断1，即检测转速为0的中断及其中断服务函数，定时器中断2，即pid速度与节气门控制中断及其中断服务函数，串口接收中断，用于串口协议的解析，定时传感器数据采集中断，用于定时采集和计算传感器的数值；发动机控制器连续带动发动机启动器启动发动机3次，有1次成功便不再启动发动机。
8.进一步，所述发动机的加热系统控制中断函数流程，首先判断加热开始标志，如标志为真且气缸温度不小于210℉，则关闭加热，如气缸温度小于210℉且大于等于190℉，此时如果发动机启动成功了则关闭加热，如果启动成功标志为假且气缸处于加热状态则维持开启加热，如果启动成功标志为假且气缸处于加热关闭状态则维持关闭加热状态，如果气缸温度小于190℉且发动机启动成功标志为假则开启加热，如果气缸温度小于190℉且发动机启动成功标志为真则关闭加热，此时如果气缸温度小于80℃则开启加热给发动机箱体和气缸升温，如果大于等于80℃则关闭加热。
9.进一步，所述发动机的风门系统的保温罩风门，气缸温度小于等于194℉风门完全关闭，气缸温度大于等于230℉风门完全开启，气缸温度大于194℉小于230℉时，风门开度与此气缸温度范围的值呈线性比例，在此气缸温度范围内气缸温度最小时风门完全关闭，气缸温度是212℉时，风门开度是50%，在此气缸温度范围内气缸温度最大时风门完全开启，同时此发动机的风门系统的保温罩风门可通过pwm信号手动控制。
10.进一步，所述发动机控制器的pid速度-节气门控制算法，是使用发动机怠速、发动机最大转速、节气门开度系数、发动机当前转速按公式一计算节气门位置对应发动机最大转速与怠速范围内的转速与发动机实际转速的差值ek，将当前此差值按照公式四赋值给下次计算的ek生成上一次计算的差值ek_1，再通过将上一次计算的差值ek_1按照公式三赋值给下次计算的差值ek_1生成上上次计算的差值ek_2，再将比例kp、积分ki、微分kd和ek、ek_1、ek_2按照公式二代入增量pid算法，得出控制量增量uk用于节气门的控制，保证发动机控制节气门进行加油门、减油门时转速的稳定可靠；公式一：ek = rpm_idle (rpm_max
ꢀ‑ꢀ
rpm_idle) * tps_coefficient
ꢀ‑ꢀ
rpm_current公式二：uk = (kp*(ek
ꢀ‑ꢀ
ek_1) ki*ek kd*(ek
ꢀ‑ꢀ
2*ek_1 ek_2))
公式三：ek_2 = ek_1公式四：ek_1 = ek其中各参数定义是：ek-当前计算的差值；rpm_idle-发动机怠速；rpm_max-发动机最大转速；tps_coefficient-节气门开度系数；rpm_current-发动机当前转速；uk-控制量增量；kp-比例；ki-积分；kd-微分；ek_2-上上次计算的差值；ek_1-上一次计算的差值；注：参数定义的差值指节气门位置对应发动机最大转速与怠速范围内的转速与发动机实际转速的差值。
11.一种无人机重油二冲程发动机双模式控制系统的控制方法，包括以下步骤：步骤1，无人机飞控发出pwm启动加热信号或串口启动加热指令到发动机控制器，发动机控制器收到启动加热信号或启动加热指令后立即驱动发动机的加热系统，开始给发动机的气缸和箱体加热，并使气缸和箱体温度保持在发动机机体处于适宜启动温度范围；步骤2，无人机飞控发出pwm启动发动机信号或串口启动发动机指令到发动机控制器，发动机控制器收到启动发动机信号或启动发动机指令后立即使发动机启动；步骤3，无人机飞控发出取发动机状态数据包指令到发动机控制器，发动机控制器收到指令立即返回一个发动机状态数据包到无人机飞控；步骤4，无人机飞控可同时发出pwm油门信号和串口油门指令到发动机控制器，pwm控制模式可控制发动机的启动加热、启动发动机、加减油、熄火、转速输出动作；串口指令控制模式可发出发动机状态数据包并控制发动机启动加热、启动发动机、加减油、熄火动作，两种模式各动作随时切换，发动机能正常工作；发动机控制器根据其中一种控制模式的数据变化量，通过控制模式判断算法判定控制模式是否有效，如有效则响应此种模式的控制，自动切换模式，使发动机能正常工作；步骤5，无人机飞控发出pwm熄火信号或串口熄火指令到发动机控制器，发动机控制器收到熄火信号或指令后立即使发动机熄火；步骤6，发动机控制器根据不同的发动机情况开启和关闭气缸和箱体加热，使发动机处于适宜运行的温度范围，保证发动机正常工作；发动机控制器根据气缸温度并结合风门控制算法自动或手动控制发动机的风门系统的保温罩风门结构开闭，利于发动机的保温和散热。
12.进一步，所述发动机控制器可使用1ms脉宽脉冲输出转速信号。
13.本发明所提供的无人机重油二冲程发动机双模式控制系统及其控制方法，具有以下优点：1、本发明采用pwm信号控制和串口指令控制两种模式同时控制的双模式控制， pwm控制模式可控制发动机的启动加热、启动发动机、加减油、熄火、转速输出动作，串口指令控制模式可发出发动机状态数据包并控制发动机启动加热、启动发动机、加减油、熄火动作，两种模式各动作随时切换，发动机能正常工作，使发动机及其控制器对于无人机的远距离和近距离控制有更好的适用性。
14.2、本发明的发动机控制器串口指令的串口油门指令收发周期可达30ms，与现有的50ms相比较，大幅提高了串口油门的响应灵敏度；无人机飞控发出取发动机状态数据包指
令和返回的状态数据包数据的收发周期为125ms，串口启动加热指令、串口启动发动机指令和串口熄火指令收发周期为400ms，其中发动机状态数据包包含发动机的不限于转速、大气压强、大气温度、气缸温度、电池电压、启动成功标志、发动机待机状标志等信息。
15.3、本发明的无人机飞控发出pwm启动加热信号或串口启动加热指令到发动机控制器，发动机控制器收到启动加热信号或指令后立即驱动发动机的加热系统，开启加热使发动机气缸保持在190℉和210℉之间，提升了重油发动机的易启动性。
16.4、本发明的发动机的风门系统的保温罩风门可通过pwm信号自动与手动控制，保温罩风门的自动与手动控制和加热系统的自动开闭，改善了发动机气缸的工作温度。
17.本发明可通过输入的启动加热、启动发动机、加减油、熄火、转速输出pwm信号控制发动机，也可通过状态数据包、启动加热、启动发动机、加减油、熄火串口指令控制发动机，并通过控制模式判断算法判定和响应相应控制模式，具有可以采用pwm信号控制和串口指令控制两种模式同时控制，同时能够提高发动机的油门响应灵敏度和易启动性的积极效果。本发明弥补了无人机重油二冲程发动机的控制系统的不足，具有良好的可扩展性，为无人机重油二冲程发动机的先进控制方法奠定了基础。
附图说明
18.附图部分公开了本发明具体实施例，其中，图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的控制流程图；图3是本发明的发动机启动的程序流程图；图4是本发明的控制模式判断算法的流程图；图5是本发明的加热控制中断函数流程图；图6是本发明实施例中pwm控制模式的启动发动机的信号格式；图7是本发明实施例中pwm控制模式的油门50%的信号格式；图8是本发明实施例中pwm控制模式的熄火的信号格式；图9是本发明实施例中喷嘴和油泵控制的电路原理图；图10是本发明实施例中对外接口隔离电源的电路原理图；图11是本发明实施例中和对外接口隔离信号（pwm和串口）的电路原理图；附图标记：1-1、发动机控制器；2-1、无人机飞控；3-1、发动机。
具体实施方式
19.如图1所示，本发明所提供的无人机重油二冲程发动机双模式控制系统，包括发动机控制器1-1、无人机飞控2-1和发动机3-1，无人机飞控2-1可单独使用pwm信号控制作用于发动机控制器1-1，发动机3-1能正常工作；无人机飞控2-1可单独使用串口指令控制作用于无人机发动机控制器，发动机3-1能正常工作；无人机飞控2-1可使用pwm信号控制和串口指令控制两种方式同时作用于发动机控制器1-1，发动机3-1能正常工作；发动机控制器1-1根据pwm信号控制和串口指令控制中的任意一种或两种控制模式的数据变化量，通过控制模式判断算法判定控制模式是否有效，如有效则响应此种模式的控制，自动切换模式，使发动机3-1能正常工作；串口指令控制使用双串口，一路rs-232串口接到上位机，进行发动机3-1
参数调优标定，一路rs-232串口接到无人机飞控2-1，可通过rs-232串口采集发动机3-1的状态数据，显示在电脑上，实现对发动机3-1的完全控制。
20.如图1所示，本发明在使用时，发动机控制器1-1含有对外接口电路部分（串口、pwm信号输入口等）、发动机数据采集电路部分、驱动发动机的执行器或执行系统电路部分、电源电路部分、处理器电路部分等；无人机飞控2-1含有对外接口电路部分（串口、pwm信号输入口等）、发动机数据采集电路部分、电源电路部分、处理器电路部分等，发动机3-1包括传感器、执行器或执行系统、发动机机械结构等。无人机飞控2-1发出pwm启动加热信号或串口启动加热指令到发动机控制器1-1，发动机控制器1-1收到启动加热信号或指令后立即驱动发动机3-1的加热系统，开始给发动机3-1的气缸和箱体加热，并使气缸和箱体温度保持在发动机3-1机体处于适宜启动温度范围。
21.如图2所示，发动机控制器1-1在初始化后等待捕捉pwm信号，当捕捉到pwm启动发动机信号或串口启动发动机指令信号，如果pwm信号符合如图6所示的pwm控制模式的启动发动机的信号格式，或串口指令信号符合串口指令控制模式通信协议启动指令，则启动发动机3-1。
22.如图4所示，发动机控制器1-1在发动机3-1启动后捕捉pwm控制模式油门信号数据值或串口指令控制模式油门指令数据值，如图7所示为pwm信号控制模式的油门50%的油门信号，计算每种模式50ms时间窗口内的数据变化率，当模式数据变化率超过阈值则判定相应模式有效，自动切换模式，使用此种模式油门数据值使发动机加减油门，发动机3-1能正常工作。
23.如图2所示，发动机控制器1-1在发动机3-1启动成功后捕捉pwm信号，当捕捉到pwm熄火信号或串口熄火指令信号，如果pwm信号符合如图8所示的pwm控制模式的熄火信号格式，或串口指令符合串口指令控制模式通信协议熄火指令，则使发动机3-1熄火。
24.发动机控制器1-1与无人机飞控2-1通信可实现完全控制发动机3-1，通信数据包括采集发动机状态数据、启动加热指令、启动发动机指令、使发动机熄火指令、发动机加减油门指令。无人机飞控2-1发出取发动机状态数据包指令到发动机控制器1-1，发动机控制器1-1收到指令立即返回一个发动机状态数据包到无人机飞控2-1，收发周期为125ms；发动机控制器1-1串口通信的油门指令收发周期可达30ms，与现有的50ms相比较，大幅提高了串口油门的响应灵敏；串口启动指令和串口熄火指令收发周期为400ms；其中发动机3-1状态数据包包含发动机的不限于转速、大气压强、大气温度、气缸温度、电池电压、启动成功标志、发动机待机状标志等信息。
25.发动机控制器1-1的串行通信协议，包括对数据的发送/接收、数据类型、数据内容、数据传输速度的完整定义，形成标准格式，以使无人机飞控2-1和发动机控制器1-1之间对数据进行生成、解析和处理，发动机控制器1-1使用rs-232标准接口，通信速率115200bps波特率，收发数据全部校验，校验多项式使用crc-ccitt，所有数据的格式为：帧头2字节 包长4字节 帧序号2字节 命令字1字节 数据 校验字2字节 帧尾2字节。
26.如图9-11所示，发动机控制器1-1使用了专门的喷嘴和油泵控制电路、对外接口隔离电源电路和对外接口隔离信号pwm和串口电路。如图9所示，喷嘴和油泵控制电路使用了恒流电源和多级放大控制电路驱动完全自动保护功率场效应管控制喷嘴和油泵的通断，可使喷嘴线圈电压爬升时间缩短，喷射更精准有力。如图10所示，对外接口隔离电源电路使用
了dc-dc模块用于隔离电源、线性稳压器用于降压、三端稳压器用于降压稳压、开关式升压变换器电路用于产生负电压电源，对外接口隔离电源电路，可将对外接口电路的电源与发动机控制器电源进行隔离并给对外接口隔离电路供电。如图11所示，对外接口隔离信号（pwm和串口）电路使用了rs232收发器进行电平转换、光耦合器进行信号的隔离耦合，对外接口隔离信号（pwm和串口）电路实现了外接信号的隔离。对外接口电路能够实现发动机控制器对外接口的电源和信号全部进行隔离，当外接设备不能正常工作时不会因接口影响发动机控制器工作，当发动机控制器不能正常工作时不会因接口影响外接设备的正常工作。
27.如图3所示，发动机3-1的启动过程为开始启动时首先读取气温、缸温、大气压强，然后检测和校准发动机节气门指令，如果指令为真则校准节气门，为假则读取节气门开度指令，当发动机控制器1-1校准节气门后读取节气门开度指令，然后进入带动启动控制程序，再进入启动后加浓与暖车控制程序，再进入速度与节气门控制程序，然后计算得到点火提前角和喷油脉宽，用9.3kpa至260.9kpa大气压力范围的大气压力值乘以比例系数乘以喷油脉宽，来改善喷油脉宽影响的喷油量，再热启动看门狗并返回继续执行此发动机启动过程，在此过程运行的同时，会产生4种中断并运行其中断服务程序，分别是定时器中断1，即检测转速为0的中断及其中断服务函数，定时器中断2，即pid速度与节气门控制中断及其中断服务函数，串口接收中断，用于串口协议的解析，定时传感器数据采集中断，用于定时采集和计算传感器的数值，发动机控制器1-1连续带动发动机启动器启动发动机3-1次，有1次成功便不再启动发动机3-1。
28.如图5所示，发动机3-1加热系统控制中断函数流程，首先判断加热开始标志，如标志为真且气缸温度不小于210℉，则关闭加热，如气缸温度小于210℉且大于等于190℉，此时如果发动机3-1启动成功了则关闭加热，如果启动成功标志为假且气缸处于加热状态则维持开启加热，如果启动成功标志为假且气缸处于加热关闭状态则维持关闭加热状态，如果气缸温度小于190℉且发动机启动成功标志为假则开启加热，如果气缸温度小于190℉且发动机启动成功标志为真则关闭加热，此时如果气缸温度小于80℃则开启加热给发动机箱体和气缸升温，如果大于等于80℃则关闭加热,整个流程实现了启动加热使发动机气缸保持在190℉和210℉之间，随时等待启动；发动机3-1运行中气缸温度低于80℃时开启加热给发动机气缸升温；气缸、箱体加热信号根据以上工况自动开启和关闭,此加热控制流程提高了发动机3-1的易启动性和工作稳定性。
29.如图1所示，发动机3-1的风门系统的保温罩风门，气缸温度小于等于194℉风门完全关闭，气缸温度大于等于230℉风门完全开启，气缸温度大于194℉小于230℉时，风门开度与此气缸温度范围的呈线性比例，在此气缸温度范围气缸温度最小时风门完全关闭，气缸温度是212℉时，风门开度是50%，气缸温度最大时风门完全开启，同时此发动机3-1的风门系统的保温罩风门可通过pwm信号手动控制，优先级高于自动控制，风门的自动和手动控制利于发动机3-1的保温和散热。
30.如图3所示，所述发动机控制器1-1的pid速度-节气门控制算法，是使用发动机怠速、发动机最大转速、节气门开度系数、发动机当前转速按公式一计算节气门位置对应发动机最大转速与怠速范围内的转速与发动机实际转速的差值ek，将当前此差值按照公式四赋值给下次计算的ek生成上一次计算的差值ek_1，再通过将上一次计算的差值ek_1按照公式三赋值给下次计算的差值ek_1生成上上次计算的差值ek_2，再将比例kp、积分ki、微分kd和
ek、ek_1、ek_2按照公式二代入增量pid算法，得出控制量增量uk用于节气门的控制，保证发动机控制节气门进行加油门、减油门时转速的稳定可靠；公式一：ek = rpm_idle (rpm_max
ꢀ‑ꢀ
rpm_idle) * tps_coefficient
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rpm_current公式二：uk = (kp*(ek
ꢀ‑ꢀ
ek_1) ki*ek kd*(ek
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2*ek_1 ek_2))公式三：ek_2 = ek_1公式四：ek_1 = ek其中各参数定义是：ek-当前计算的差值；rpm_idle-发动机怠速；rpm_max-发动机最大转速；tps_coefficient-节气门开度系数；rpm_current-发动机当前转速；uk-控制量增量；kp-比例；ki-积分；kd-微分；ek_2-上上次计算的差值；ek_1-上一次计算的差值；注：参数定义的差值指节气门位置对应发动机最大转速与怠速范围内的转速与发动机实际转速的差值。
31.发动机油门操作采用pid算法控制，保证发动机3加油、减油时的稳定可靠。
32.本实施例所提供的无人机重油二冲程发动机双模式控制系统的控制方法，包括以下步骤：步骤1，无人机飞控2-1发出pwm启动加热信号或串口启动加热指令到发动机控制器1-1，发动机控制器1-1收到启动加热信号或启动加热指令后立即驱动发动机3-1的加热系统，开始给发动机3-1的气缸和箱体加热，并使气缸和箱体温度保持在发动机3-1机体处于适宜启动温度范围；步骤2，无人机飞控2-1发出pwm启动发动机信号或串口启动发动机指令到发动机控制器1-1，发动机控制器1-1收到启动发动机信号或启动发动机指令后立即使发动机3-1启动；步骤3，无人机飞控2-1发出取发动机状态数据包指令到发动机控制器1-1，发动机控制器1-1收到指令立即返回一个发动机状态数据包到无人机飞控2-1；步骤4，无人机飞控2-1可同时发出pwm油门信号和串口油门指令到发动机控制器1-1，pwm控制模式可控制发动机3-1的启动加热、启动发动机、加减油、熄火、转速输出动作；串口指令控制模式可发出发动机状态数据包并控制发动机3-1启动加热、启动发动机、加减油、熄火动作，两种模式各动作随时切换，发动机3-1能正常工作；发动机控制器1-1根据其中一种控制模式的数据变化量，通过控制模式判断算法判定控制模式是否有效，如有效则响应此种模式的控制，自动切换模式，使发动机3-1能正常工作；步骤5，无人机飞控2-1发出pwm熄火信号或串口熄火指令到发动机控制器1-1，发动机控制器1-1收到熄火信号或指令后立即使发动机3-1熄火；步骤6，发动机控制器1-1根据不同的发动机3-1情况开启和关闭气缸和箱体加热，使发动机3-1处于适宜运行的温度范围，保证发动机正常工作；发动机控制器1-1根据气缸温度并结合风门控制算法自动或手动控制发动机3-1的风门系统的保温罩风门结构开闭，利于发动机3-1的保温和散热。
33.本实施例所提供的无人机重油二冲程发动机双模式控制系统的控制方法，发动机
控制器1-1可使用1ms脉宽脉冲输出转速信号。