杨东宇　王迎　邓颖　徐明奇

摘  要： 目前，小型无人机发动机恒速控制器依然依赖国外技术，且价格比较高昂。为了解决提升无人机性能、摆脱对国外依赖等问题，设计多旋翼无人机长续航供电闭环控制系统。该系统由油箱、发动机、传动轴、发电机、锂电池、整流模块、发电机控制模块以及测量模块组成。其中，控制模块包括舵机控制模块、转速控制模块以及基于STM32的微控制器;测量模块包括转速测量、温度测量、油量测量、电压测量。微控制器基于转速反馈控制算法有效地保证发电机转速恒定，从而保证电压恒定。实验结果表明，与国外的GY?701定速器/陀螺仪相比，该系统可控制的范围更大，且降低了装机成本的同时还可摆脱对国外技术的依赖。

关键词： 无人机; 闭环控制系统; 系统设计; 转速控制; 测量流程; 实验分析

中图分类号： TN876?34                              文獻标识码： A                     文章编号： 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

小型无人机在军事和民用领域都有着广泛的应用前景，但由于电动无人机电池容量的问题，飞行时间只能达到20 min左右，使其发展空间非常有限，尤其是在森林、山地等复杂地区。而油电混合无人机则可以根据需求对油箱大小进行改装达到长续航的目的。油电混合无人机在面对复杂环境时，其生存能力远大于电动无人机;在执行搜索协助、物流运输等任务时可搭载多款任务载荷，真正地做到一机多用的功能。

无人机的负载变化常常不可预测，而发动机转速又极易受负载影响[1]，只有保障将转速控制好，才能提升无人机的应用性能[2]。采用电子调速代替机械式调速的方法，既能提高发动机的各项性能，又不至于大幅度提高成本，然而目前小型无人机发动机恒速控制器依然依赖国外技术，且价格比较高昂。因此，为了降低装机成本，摆脱对国外技术的依赖，发动机恒速控制的自主研发是十分有必要的。

1  系统硬件总体设计

该油电混合系统主要由油箱、发动机、传动轴、发电机、整流模块、发电机控制模块及测量模块组成。

1.1  控制模块

发电机控制模块主要包括转速测量模块、舵机控制模块、微控制器。发动机通过传动轴与发电机相连，带动电机发电;发电机通过整流模块，将三相交流电转换为直流电给无人机、各个控制模块以及锂电池供电。发动机控制模块与微控制器进行电气连接，微控制器基于转速反馈控制算法，将测量转速与实际转速比较得出反馈信号并将其输出给舵机控制模块。舵机控制模块控制发动机节气门开度，从而不断调节转速，使其电压最终达到稳定，从而提升油电混合无人机系统的控制性能。设计框图如图1所示。

1.2  测量模块

系统在工作过程中需要实时监测各种数据以保证系统工作时的安全性，系统测量设计框图如图2所示。

1.2.1  转速测量模块

目前比较常用的转速测量方法有三种，分别为M 法、T 法、M/T 法。通过对三种测速方法进行比较分析，决定选用M法测量发动机转速。M法测速的公式为：

[n=60M1TP]           （1）

式中：[TP]为检测周期，单位为s;[M1]为在[TP]内的脉冲数;n为发动机转速，单位为r/min。

转速测量采用霍尔传感器3144，当磁铁有靠近?远离传感器的动作时，即可产生脉冲信号。而STM32F103单片机的定时器/计数器有输入捕捉功能，可以捕捉外部脉冲。每当发动机转一转，传感器3144都会产生一个脉冲，当定时器/计数器的输入捕捉单元捕捉到外部脉冲时，定时器/计数器便开始计数。在检测周期结束后，返回当前计数值，将计数寄存器清除，并将计数值代入式（1）中便可计算出发动机转速。

1.2.2  温度测量模块

在系统进行工作时，温度会升高，当温度过高时容易引起器件损坏、影响飞行控制、无人机着火等安全性问题，所以实时检测发动机的温度是必要的。该系统设置的安全温度为140 ℃，当温度高于140 ℃时便报警。

PT100具有测量范围广（-50～600 ℃）、稳定性好、抗干扰能力强等优点。常用的铂电阻接法有三线制和两线制，其中，三线制接法相比两线制接法的优点是将PT100的两侧相等的导线长度分别加在两侧的桥臂上，消除导线的电阻 [3]。所以本设计采用三线制桥式测温电路，如图3所示。

理论上，运放输出电压为输入压差信号乘放大倍数，但实际上在电路工作时压差信号比理论值小很多，实际输出信号为：

[V0=5.0·RPTR1+RPT-RV2R1+RV2]      （2）

式中：[R1]=3.6 kΩ;[RV2]=100 Ω;[RPT]為PT100的阻值。通过输出电压[V0]计算出[RPT]，利用查表法得出此时的温度。

2  系统软件总体设计

本系统采用STM32芯片进行软件设计，软件部分主要包括PID恒速闭环控制、物理量测量、LCD显示、报警系统等。软件总体设计框图如图4所示。

2.1  PID恒速闭环控制

2.1.1  PID算法

PID算法是工程中应用最为广泛的控制算法之一，具有原理简单、适用范围广等优点[4]。其控制原理图如图5所示。PID算法的离散化公式为：

[Δuk=KPΔek+KIek+KDΔek-ek-1]    （3）

式中：[Δek=ek-ek-1];[KP]，[KI]，[KD]分别为比例、积分和微分项系数。

比例控制能迅速反应误差从而减小稳态误差，但不能消除稳态误差;积分控制中的积分项对误差取决于时间的积分，随时间的增加积分项会增大，这样即便误差很小，积分项也会随时间的增大而加大。它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小[5]，直至等于0。所以，比例加积分控制器可使系统在进入稳态后无稳态误差。发电机速度不存在突变，则微分项对系统性能影响甚微，所以本系统采用PI方式控制。

2.1.2  PID运算过程

STM32单片机采集转速测量模块的信号，经过计算得出实际转速。将实际转速与目标转速进行比较得出反馈信号，再将此反馈信号输出给舵机控制模块，舵机控制发动机节气门开度，不断调节转速，以维持发动机转速恒定。PID程序流程图如图6所示。

3  实验分析

3.1  系统样机

装置整体框架由油箱、发动机、发电机、整流模块、散热板、传感器组以及液晶显示屏构成。机械连接处均用铝合金型材料搭建，器材亦选用轻小材料，保证该系统的轻巧，为提高效率打基础。供电系统实物如图7所示。

3.2  实验结果分析

为验证该系统的调节性能，通过设置不同目标转速让其调节。系统刚上电时让其维持低转速运转进行预热，再经过闭环控制。经过多次实验，系统均能快速达到目标转速;且在施加干扰后，该控制系统也很快起到了作用，使得发动机转速快速回到了目标转速。因此该控制系统有较好的控制效果。实验结果图如图8所示。

4  结  语

本文设计的混合动力无人机发动机控制系统兼顾了高稳定性和高节能性。该系统基于STM32单片机利用PID控制，对混合动力无人机发动机转速及各个输出信号进行实时监管，并进行转速恒定控制。实验结果表明，所设计的系统控制效果较为明显，并具有较高的稳定性。从而使该系统进一步优化了飞控系统，降低了装机成本，而且摆脱了对国外技术的依赖。

注：本文通讯作者为徐明奇。

参考文献

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[3] 刘伟，李晶.三线制PT100热电阻测温电路的设计[J].河南科技，2014（7）：212.

[4] 杜警，窦艳艳.PWM直流闭环调速系统设计[J].武汉职业技术学院学报，2018，17（1）：92?95.

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[10] 王欣峰，任淑萍.基于模糊PID的AVR单片机智能温度控制系统设计[J].现代电子技术，2018，41（15）：179?182.

[11] 牛国臣，张云霄.基于STM32的24路舵机同步控制系统设计[J].现代电子技术，2019，42（10）：151?155.