无人机发动机性能参数综合检测及误差分析

孙景涛,胡永红

(西北工业大学 第365研究所,西安 710065)



无人机发动机性能参数综合检测及误差分析

孙景涛,胡永红

(西北工业大学 第365研究所,西安 710065)

摘要：为了实现无人机发动机在生产、调试、外场检验过程中性能参数的多次同时测试,以发动机数据采集板、传感器及手持计算机为核心,研制了一种无人机发动机综合测试设备,给出了无人机发动机测试系统组成及发动机性能参数采集板的实现方法.测试结果表明：该发动机综合检测系统的燃油流量测量精度优于满量程的±5%,缸温测量精度优于±2 ℃,燃油压力测量精度优于满量程的±2%.该检测系统用户界面友好,实现了测量数据的实时显示记录以及发动机状态的实时监控.

关键词：无人机发动机；性能参数；测量精度；误差分析

发动机无人机的稳定性直接影响无人机的飞行性能以及飞行安全.燃油流量、缸温和燃油压力是发动机的重要参数.可以根据燃油流量来计算出发动机的耗油量,并据此判断出实际飞行距离和飞行时间；发动机在正常工作时,必须保证缸温在一个合理的区间内,缸温过高就有可能烧毁缸体[1]；发动机精确喷射燃油的性能好坏取决于燃油供给系统的油压,进而影响到无人机的飞行性能[2].若无人机发动机参数测试或调整不准,轻则造成发动机损坏,重则导致无人机报废,所以定期对发动机的燃油流量、缸温和燃油压力参数进行多次客观测量是保证发动机性能正常发挥和飞行安全的必要手段[3].

在实际工程中,燃油流量、缸温和燃油压力的测量方法有很多种.文献[4]通过对无人机发动机系统温度的产生机理进行分析,给出了无人机发动机系统温度采样方案；文献[5]采用计算机测量与控制方法对某型发动机燃油流量参数进行了测试；文献[6]提出采用新型数字式传感器对缸温、燃油压力等无人机发动机参数进行了测量,其测量原理是根据所选择的传感器输出的信号形式,通过相应的转换,将传感器的输出信号转换成电压信号来计算出测量值.在无人机上,通常选用流量传感器通过脉冲计数的方式来测量燃油流量、选择铂热电阻或热电偶来测量发动机缸体温度、选用电流型压力传感器来测量燃油压力.本文基于便携式、具备自检功能的研制需求,研发了一种便于外场便携式使用、可同时测量发动机燃油流量、缸温以及燃油压力,具有自检功能的发动机性能参数检测系统,以便在测试过程中实时监控无人机发动机工作状态,进而确保无人机发动机性能参数调试到最佳运行状态.

1无人机发动机性能的综合检测

发动机综合检测系统主要完成发动机燃油流量、缸温和燃油压力数据的实时采集功能,并且通过和手持计算机之间的数据通信,来接收手持计算机的自检指令,发送检测数据,实现在手持计算机上实时显示与保存采集数据的功能.发动机综合检测系统主要由流量传感器、温度传感器、压力检测装置、发动机性能参数采集装置和手持计算机系统组成.

其中发动机性能参数采集装置是整个检测系统的核心,它主要完成发动机燃油流量、缸温、燃油压力的数据采集工作,并将采集到的数据通过串口在手持计算机上显示和保存,其组成框图如图1所示.该发动机综合检测系统采取便携式设计,完全可以满足外场便携式使用的需要.

图1　发动机综合检测系统组成框图

无人机发动机性能参数采集为发动机检测系统的核心,其主要功能是根据接收到的传感器信号计算出相应的发动机数据；另外,发动机数据采集板还实现与手持计算机进行数据通信的功能.因此,发动机数据采集板主要包括流量信号采集单元、温度信号采集单元、压力信号采集单元以及数据通信单元.

1.1流量信号采集

流量信号采集单元完成发动机燃油流量采集功能.当燃油流过流量计时,推动流量计中的叶轮转动,当叶轮转动一圈,流量计会输出一个开关信号,根据开关次数计算出流量值.流量信号采集原理框图如图2所示.

图2　燃油流量检测原理框图

电流源通过数据采集板产生,将流量计输出的开关信号转换成电压信号；然后经过放大滤波和触发器将电压信号转换成适合复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)处理的数字脉冲信号,并送入CPLD,完成脉冲计数的功能；将脉冲计数值送给单片机,单片机采用定时器方式,完成在固定时间间隔内累加计数值,从而得到瞬时流量值.

依据流量信号采集原理,流量信号采集电路原理图如图3所示.流量计输出的开关信号控制电流源的电流输出的通断,将通断信号通过仪表放大器N1转换成电压信号,再将电压信号送给运算放大器N2及其外围电路构成的低通滤波器,完成滤波功能后,通过施密特触发器NB整形后就得到了适合CPLD处理的数字脉冲信号.在CPLD内部完成脉冲计数的功能,并将计数值送给单片机,由单片机实现计算瞬时流量的功能.选用C8051F005型单片机(Silicon公司),与模拟、数字外设及其他功能部件一起构成单片机性能参数采集系统.为保证在全温度范围工作时的测量精度,所有电阻电容需要选择温度特性好的器件.

图3　流量信号采集电路原理图

1.2温度信号采集单元

温度信号采集单元主要完成发动机缸温数据采集的功能,其原理框图如图4所示.

图4　缸温检测原理框图

通过PT100铂热电阻实现对温度信号的采集,其实现了缸温信号向电阻信号的转换；电阻值的变化通过电流源转换成电压信号；对该电压信号进行放大滤波处理,转换成电压信号,且该信号满足单片机输入要求,通过单片机自身实现模数转换(A/D转换)和串口通信功能.

单片机的输入电压为

U=IKR0

(1)

式中：I为电流源输出的恒定电流值；K为电压放大倍数；R0为热电阻的电阻值.

在单片机内完成模数转换(A/D转换),A/D转换后的数据为

(2)

由式(1)和式(2)可得

(3)

手持计算机根据式(3)可以计算出PT100铂热电阻的电阻值,再根据PT100铂热电阻分度表,查表得到对应的温度值.

由电流源、主要仪表放大器N1(包括其外围电路)、运算放大器N2(包括其外围电路)以及单片机组成缸温检测电路,其电路原理图如图5所示.

图5　温度信号采集电路原理图

利用电流源,将PT100铂热电阻的两端电压作为仪表放大器的差分输入端,经过放大和滤波处理后送给单片机完成A/D转换.为了获得较高的测量精度,由于仪表放大器INA118具有高精度、低功耗、高共模抑制比以及较宽工作频带等良好性能,基于此,采用INA118构成放大电路,对缸温微小变化信号进行放大.为保证测量精度,电阻R1必须为温度特性好的精密电阻.

1.3压力信号采集单元

压力信号采集单元主要完成发动机燃油压力信号采集的功能,其原理框图如图6所示.

图6　燃油压力检测原理框图

首先将压力传感器产生的电流信号通过精密电阻转换为电压信号,再转换为满足单片机A/D输入范围要求的电压,为此,需经过滤波放大处理后再输入单片机.A/D转换通过单片机自身实现,通过串口将A/D转换后的数据输入手持计算机.手持计算机计算出油压值,并实时显示与保存油压值.

燃油压力检测电路主要实现压力传感器输出的电流信号到电压信号的转换,经过滤波和放大处理后输送下一级电路,而电流/电压转换和噪声滤除由下一级电路完成,其电路图如图7所示.

图7　燃油压力检测电路原理图

燃油压力传感器采集的电流信号以信号输入in表示,通过电阻R1(精密电阻)转换为电压信号,通过滤波、放大处理后,输入单片机.为确保在全工作温度范围内的测量精度,电阻R1精度温度特性要优于一般普通电阻,其余电阻、电容的温度特性要求良好.

1.4数据通信

根据系统设计要求,发动机数据采集电路板通过RS232串口与手持计算机进行数据通信,将采集到的数据通过串口送给手持计算机,供显示与保存用.所以数据通信单元主要完成以单片机和串口收发芯片为核心的串口通信功能.

根据系统总体设计需要,串口收发芯片采用ADM3202芯片(美国AD公司),从LVTTL电平到RS-232电平的转换通过外接电容即可完成,该芯片用单+3.3 V电源供电,通信硬件配置如图8所示.

图8　通信硬件配置图

计算机发送给单片机的参数采集信息用RX_in表示,单片机发给计算机的燃油流量、缸温、油压数据以及自检成功标识用TXin表示.

2测试结果及分析

2.1检测系统自检

为自动判断手持计算机、CPLD和单片机三者之间通信功能是否正常,自检流程包括：① 手持计算机按照通信协议向CPLD发送自检信号,如果CPLD能够正确的接收到自检信号,则按照软件协议向单片机发送自检结果,否则向手持计算机发送自检错误标识；② 单片机如果能够正确的接收到CPLD发来的自检数据,则按照软件通信协议向CPLD发送自检回报数据,并向手持计算机发送自检成功标识,否则向手持计算机发送自检错误标识;③ 手持计算机如果能够接收到单片机发来的自检成功标识,则判定自检成功,并在软件界面显示“自检成功”状态,否则在软件界面显示“自检错误”状态.手持计算机只有判定自检成功,才可以对发动机参数进行显示与保存,并进行性能测试.

2.2测试结果及分析

该发动机综合检测系统定型验收实验得到的测试数据见表1～3.由表1～3可见,在流量测量-50～500 ℃范围内,流量测量相对误差小于5%；在温度测量-50～500 ℃范围内,流量测量相对误差小于2%；在压力测量-50～500 ℃范围内,流量测量相对误差小于2%.

表1　流量信号测试数据

表2　温度信号测试数据

表3　压力信号测试数据

3结 论

1) 文中以发动机数据采集板、传感器及手持计算机为核心,研制了一种便携式发动机综合检测设备.该发动机综合检测设备作为无人机发动机生产、调试、使用过程中所需的配套产品,具有友好的用户界面,实现了测量数据实时显示和记录功能；在发动机调试过程中可通过该设备对发动机状态进行实时监控以便将发动机调至最佳运行状态.

2) 该综合检测设备的燃油流量测量精度优于满量程的±5%,缸温测量精度优于±2 ℃,燃油压力测量精度优于满量程的±2%.文中未考虑无人机飞行过程中气流变化、风阻对发动机工作性能的影响,今后有待在这一方面作进一步的深入研究.

参 考 文 献：

[1]杨振祥,阮红霞.小型无人直升机动力装置活塞发动机的动态效应[J].直升机技术,2006(2):32.

YANG Zhenxiang,RUAN Hongxia.The Dynamic Effect for Piston Engine on Mini-unmanned Helicopter [J].Helicopter Technique,2006(2):32.(in Chinese)

[2]包寿红.发动机燃油供给系统对燃油表的影响[J].汽车电器,2008(6):10.

BAO Shouhong.Influence to Fuel Gauge of Engine Fule Supply System[J].Auto Electric Parts,2008(6):10.(in Chinese)

[3]李罡,祝刚,陈矛,等.某型发动机性能参数测试系统的实现[J].计算机测量与控制,2007,15(7)：860.

LI Gang,ZHU Gang,CHEN Mao,et al.Implementation of New Performance Parameter Testing System of an Engine[J].Computer Measurement & Control,2007,15(7)：860.(in Chinese)

[4]盛威,费树岷,张侃健.无人机发动机系统温度采样AD转换方案及应用[J].中南大学学报(自然科学版),2009,40(1)：325.

SHENG Wei,FEI Shumin,ZHANG Kanjian.Design and Utilize of a Scheme for Measuring Temperature and AD Transformation of Engine in UAV System[J].Journal of Central South University (Science and Technology),2009,40(1)：325.(in Chinese)

[5]李波.无人机发动机检测系统设计[J].成都信息工程学院学报,2013,28(4)：332.

LI Bo.Design of UAV Engine Test System [J].Journal of Chengdu University of Information Technology,2013,28(4)：332.(in Chinese)

[6]胡银彪,昂海松,李志宇.无人机发动机参数测量系统的研制[J].传感器技术,2004,23(7)：34.

HU Yinbiao,ANG Haisong,LI Zhiyu.Development of Parameters Measurement System of Unmanned Air Vehicle Motor[J].Journal of Sensor Technology,2004,23(7)：34.(in Chinese)

(责任编辑、校对张超)

Comprehensive Test and Error Analysis of UAV Engine Performance Parameters

SUNJingtao,HUYonghong

(No.365 Research Institute,Northwest Polytechnique University,Xi’an 710065,China)

Abstract:In order to meet the needs of the repeated testing performance parameters simultaneously in the process of UAV engine production,debugging and field inspection,a portable engine comprehensive detection equipment for unmanned aerial vehicle is developed,with engine-data-acquisition-board,sensors and handheld computer as the core.The composition of the engine test system for unmanned aerial vehicle and the method to realize the engine-data-acquisition-board are given.The test results show that the engine’s fuel flow measurement accuracy is better than the full range of ±5%,cylinder temperature measurement precision is better than ±2 ℃,and fuel pressure measurement precision is better than the full range of ±2%.With friendly user interface,the detection system realizes the real-time display,record of measured data and real-time monitoring of engine condition.

Key words:UAV engine; performance parameters; measurement accuracy; error analysis

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.04.007

收稿日期：2015-10-16

基金资助：国家自然科学基金重点项目(61134004)

作者简介：孙景涛(1977-),男,西北工业大学工程师,主要研究方向为无人机测控.E-mail:sjtsun@sina.com.

文献标志码:中图号：V239A

文章编号：1673-9965(2016)04-0295-05