無人機發動機故障處理方法
2023-06-20 10:05:21
專利名稱：無人機發動機故障處理方法
技術領域：
本發明是關於無人機在發動機發生故障，用飛行控制計算機系統對飛機進行處理方法。
背景技術：
無人機是一種自身攜帶傳感器少，本身不能排除故障，自主控制能力較差的一種無人駕駛飛行器，其控制在很大程度上要比有人作戰飛機複雜得多。而發動機是飛機的心臟，也是容易發生故障的主要部件。一旦發動機出現故障，發生墜機事故的機率非常高。通常無人機發動機故障的原因主要包括發動機停車故障發動機溫度過高拉缸、發動機點火系統故障、供油故障發動機熄火停車，這些故障是一種直接導致飛機無動力，飛機失速墜毀非常致命的事故；發動機失控故障主要包括發動機風、油門(含舵機)卡死；發動機失控不能停車故障發動機風(含舵機)卡死或不能關閉到完全「停車位置」。發動機失控和不能停車故障將導致不能完成任務，不能安全返航，無法回收的嚴重後^ ο現有技術中的無人機沒有採用自動診斷、控制和相應故障處置功能裝置的支持， 在發動機故障時，通常是依靠飛機本身的滑翔能力，選擇當時地麵條件進行迫降來解決，而且成功的概率也不大，基本上不能有效保護飛機的正常飛行和回收。因此安全性、可靠性均較差。如何對空中飛行中發生故障的無人機發動機進行保護，特別是對發生空中停車、失控和不能停車進行保護，以降低和避免無人機及機載設備的損失，提高無人機的生存力，降低使用費用一直是設計師們期盼解決的問題。
發明內容
本發明的目的是針對無人機本身不能排除故障，自主控制能力較差，發動機故障致命的問題，提供一種安全、有效，能夠對發動機故障狀態進行實時監控，並具有自動診斷、 控制和故障處置並回收飛機的功能，實現無人機「故障安全」的處理方法。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種無人機發動機故障處理方法， 至少包括帶有數據採集及信號處理的控制計算機系統，其特徵在於，它還包括配置在空中計算機中的系統故障自動診斷、故障處置控制模塊邏輯程序模塊；通過信號採集技術實時提取發動機轉速傳感器信號的程序模塊；用於監測點火裝置電壓和頻度的程序模塊；用於發動機缸溫傳感器實時監測判別是否發生拉缸故障的程序模塊。以及在故障自動診斷、控制和故障處置邏輯程序模塊中可設定的(1)發動機轉速門限值子程序模塊；(2)發動機缸溫門限值子程序模塊；
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(3)通過風、油門舵機位置反饋，判別發動機失控和不能停車故障子程序模塊；(4)控制計算機系統根據上述各門限及相應舵機位置反饋，採用「事件管理觸發」 及「定時中斷」方式實現相應故障的診斷並判別故障性質和嚴重程度的程序模塊；(5)對飛機狀態監控並通過測控系統向地面站回報故障編碼的程序模塊；(6)處置程序根據故障性質和嚴重程度的判別，分別進行控制計算機系統發出 「應急返航」、「飛向指定區域」或「盤旋」指令，採用「事件管理觸發」及「定時中斷」方式啟動相關預裝訂任務集的子程序模塊；(7)它還包括連接降落傘、氣囊及緩衝支架等功能裝置進行應急回收的控制單元進行無人機應急回收；所述控制單元至少連接有二路保護功能及啟動觸發途徑的程序模塊。所述控制單元的連接到應急開傘控制和返航至少有二路途徑保護功能來實現啟動觸發的子程序模塊。(即，除通過飛控計算機系統的程序控制外，還可根據飛控系統發回給地面站的故障報警情況，選擇「手控」或「遙控」進行包括「返航」、「開傘」、「氣囊」及「緩衝支架」釋放等不同的處置措施)。本發明相比於現有技術具有如下有益效果。本發明基於現有技術融合，在控制計算機系統的故障診斷單元及包括導航系統的應急返航程序模塊以及開傘、氣囊和緩衝支架釋放等控制單元中融合意外發動機故障應急控制功能，控制計算機系統的故障診斷單元對發動機故障狀態進行實時監控，當診斷並判別出包括發動機點火裝置電壓及頻度、轉速和缸溫門限、風/油門舵機故障狀態時，控制計算機系統將根據診斷的故障性質及嚴重程度，採取相應措施進行緊急處置，達到無人機系統「故障安全」要求。其中採用多路應急處置方式進行自動控制，保證了系統保護的可靠性。 解決了無人機發動機本身不能排除故障，發動機故障致命的問題。因此本發明提供了一種安全、有效，能夠對發動機故障狀態進行實時監控，並具有自動診斷、控制和處置故障並回收飛機功能的故障處理方法。其中的自動控制/診斷及多選擇處置功能，具有性能優異、成功率高、響應快、可靠性高的優點。
下面結合附圖和實施例進一步說明本發明，但並不因此將本發明限制在所述的實施例範圍之中。圖1是本發明發動機非正常空停故障處理模塊程序流程圖。圖2發動機故障飛控控制流程框圖。圖3是本發明對發動機空停實施應急處理的流程示意圖。圖4是本發明對發動機風、油門舵機卡死故障判別流程示意圖。圖5是本發明的故障處置應急開傘1流程示意圖。圖6是本發明的故障處置應急開傘2流程示意圖。
具體實施例方式為了解決無人機飛行器發動機發生空中停車、失控和不能停車進行保護的問題， 本發明無人機發動機故障處理方法，包括帶有數據採集及信號處理的控制計算機系統，並在所述控制計算機中配置系統故障自動診斷模塊和故障處置邏輯程序模塊。用於發動機轉速監測以及採用控制傘降、緩衝氣囊/支架等功能裝置進行無人機應急回收的程序模塊是基於控制計算機系統的發動機故障自動診斷、故障處置控制邏輯程序模塊。它主要包括(1)提取發動機轉速傳感器信號的「信號採集程序模塊」(包括「光隔」、「A/D採集」、「事件管理器捕獲」等元件)；(2)通過感應器件及A/D採集等技術實時監測點火裝置電壓及頻度程序模塊；(3)採用發動機熱敏元件和熱電偶等缸溫傳感器實時監測判別拉缸故障是否發生的程序模塊(4)在故障自動診斷、控制策略和處置程序中設置的1)發動機轉速門限值程序模塊(可設定)；2)發動機缸溫門限值程序模塊(可設定)；3)通過風、油門舵機位置反饋，判別發動機失控和不能停車故障程序模塊。控制計算機系統根據各門限及相應舵機位置反饋，採用「DSP事件觸發」或「定時中斷」實現相應故障的診斷並判別故障性質和嚴重程度的程序模塊；4)通過測控系統向地面站回報故障編碼的程序模塊；5)控制策略和處置程序模塊根據故障性質和嚴重程度的判別，分別由控制計算機系統發出「應急返航」、「飛向指定區域」、「盤旋」指令，以及結合飛機飛行邊界——「速度邊界門限」和「高度邊界門限」的監控，選擇啟動相應的預裝訂應急任務集和子程序模塊；還包括連接降落傘、氣囊及緩衝支架等控制單元的處置程序模塊和驅動控制部件，所述相關控制單元至少連接有二路保護功能及啟動觸發途徑。圖1主要描述了發動機的轉速、缸溫及風/油門位置信號採集的流程。該流程的運作過程是，飛控系統實時監測發動機工作狀態，實時將發動機轉速、缸溫、點火電壓及頻度信號，由光隔等器件整理為方波形式信號，輸入到計算機的「事件管理器模塊」，使之被捕獲或採集。圖2主要描述了發動機氣缸溫度超高的應急處理模塊程序流程和發動機超溫故障判別流程。該流程的運作過程是，一旦發生發動機氣缸溫度持續高於設定的安全門限 (如大於200°C )，則判定為發動機空中「拉缸故障」，即刻按「應急開傘1」處置，立即開傘。圖3主要描述了發動機非正常空停故障處理模塊程序流程和空中停車故障判別流程。當發動機轉速持續一定時段低於門限(如小於IOOOrpm持續XX秒)的監測、以及點火工作電壓及頻度(點火電壓小於設定門限)情況時，如風門舵機反饋位置監測確認沒有 「停車指令」要求(通過位置電位計及PWM的脈寬站空比，即風、油門不在「正常停車」位置)， 則判定為「空中意外停車」故障。控制計算機系統通過對診斷到的故障嚴重情況判別，決策採用何種處置模式。為提高系統的可靠性，可採用餘度設計，增加冗餘。在飛機當前狀態， 根據飛機動靜壓傳感器採集的氣壓高度與預先設定的安全開傘門限高度比較，採用兩種處置方式低於安全高度選擇「應急開傘1」，高於安全高度選擇「應急開傘2」，以最大限度地保護飛機及設備。圖4主要描述了發動機風、油門舵機卡死故障判別的流程和風門、油門卡死故障處置的方式。處置採用應急直線返航和應急釋放回收降落傘。該流程的運作過程是，當飛控系統接到發動機風「關風門」指令，監測發動機轉速，轉速持續χ秒時間如大於1000rpm(可設定的門限)成立，則判斷為風門及舵機卡死故障，既嚮導航控制系統發出「盤旋」指令，作 「耗油盤旋」飛行，直至燃油耗盡，自然啟動發動機「空中停車」故障處理模塊，實現飛機的傘降回收。當飛控(計算機)系統接到發動機油門狀態改變(如「額定」、「大車」等)指令，監測發動機轉速，在χ秒時間轉速變化是否大於300rpm(可設定的門限)，「是」則正常，「否」 則判斷為油門及舵機卡死故障，既嚮導航控制系統發出「直線返航」指令。圖5，6主要描述了和故障處置應急開傘2的兩種流程和故障處置的方式。其流程的運作過程是，故障採用應急釋放回收降落傘，在接地時啟動氣囊及緩衝支架(包括接地後的切傘)，更為有效的保證飛機安全。降落傘、氣囊及緩衝支架的釋放(包括接地後的切傘)，通過應急處置模塊，按處置程序向執行設備發出驅動指令，採用「繼電器」、「開關電路」 及「接觸器」等，觸發相應的「燃爆器」、「電動」 「氣動」或「液力」作動機構，實現降落傘、氣囊及緩衝支架(包括接地後的切傘)釋放。接地信號，可通過「機械觸地開關」、「近距高度表」、「紅外感應及近的引信」等獲得。故障處置應急開傘1，為立即開傘，當飛控(計算機)系統接到「應急開傘1」指令， 即刻通過應急處置模塊依次向發出「關閉程序控制」、「姿態改平」、「關發動機風/油門(停車)，，等指令、監測的發動機轉速一旦低於XXXrpm(可設定)，即發出「開傘」指令。當飛機接近地(水、草等)面，接地信號觸發被觸發，應急處置模塊發出氣囊及緩衝支架(包括接地後的切傘)釋放指令。故障處置應急開傘2，為可延遲性開傘，在「應急開傘1」故障處置模塊基礎上，增加高度判斷和下滑程序，在開傘前將調整飛機到一個更為有利和安全的條件狀態。
權利要求
1.一種無人機發動機故障處理方法，至少包括帶有數據採集及信號處理的控制計算機系統，其特徵在於，它還包括配置在控制計算機中的系統故障自動診斷、控制和故障處置邏輯程序模塊；用於提取發動機轉速傳感器信號的器件及程序模塊；(A/D採集、光隔、事件管理等)通過感應器件及A/D採集等實時監測發動機點火裝置電壓和頻度的程序模塊；用缸溫熱電偶傳感器及A/D採集等實時監測判別發動機拉缸故障是否發生的程序模塊。
2.根據權利要求1所述的發動機故障處理方法，其特徵在於所述的故障自動診斷、控制和故障處置邏輯程序模塊中至少設定有發動機轉速門限值子程序模塊。
3.根據權利要求1或2所述的發動機故障處理方法，其特徵在於所述的故障自動診斷、 控制和故障處置邏輯程序模塊中至少設定有發動機缸溫門限值子程序模塊。
4.根據權利要求1或2或3所述的發動機故障處理方法，其特徵在於所述的故障自動診斷、控制和故障處置邏輯程序模塊中至少設定有通過風、油門舵機位置反饋，判別發動機失控和不能停車故障的子程序模塊。
5.根據權利要求4所述的發動機故障處理方法，其特徵在於所述的故障自動診斷、控制和故障處置邏輯程序模塊中至少設定有控制計算機系統根據上述各門限及相應舵機位置反饋，採用「事件管理觸發」或「定時中斷」方式實現相應故障的診斷並判別故障性質和嚴重程度的程序模塊。
6.根據權利要求5所述的發動機故障處理方法，其特徵在於所述的故障自動診斷、控制和故障處置邏輯程序模塊中至少設定有對飛機狀態監控並通過測控系統向地面站回報故障編碼的程序模塊。
7.根據權利要求1至6任何一個權利要求所述的發動機故障處理方法，其特徵在於所述的故障自動診斷、控制和故障處置邏輯程序模塊中至少設定有，控制策略和處置程序根據故障性質和嚴重程度的判別，分別進行控制計算機系統發出「應急返航」、「飛向指定區域」或「盤旋」指令，啟動相關預裝訂任務集的子程序模塊。
8.根據權利要求6所述的發動機故障處理方法，其特徵在於它還包括連接降落傘、氣囊及緩衝支架等等功能裝置進行應急回收的控制單元進行無人機應急回收的程序模塊。
9.根據權利要求6所述的發動機故障處理方法，其特徵在於所述控制單元至少連接有二路保護功能及啟動觸發途徑的程序模塊。
全文摘要
本發明涉及一種無人機發動機故障處理方法，包括帶有數據採集及信號處理的控制計算機系統和配置在控制計算機中的系統故障自動診斷、控制和故障處置邏輯程序模塊；用於提取發動機轉速傳感信號並實時監測點火裝置電壓和脈衝頻度的信號採集元器件及程序模塊，用於發動機缸溫傳感器實時監測判別拉缸故障是否發生的程序模塊。本發明在控制計算機系統的故障診斷單元及包括導航系統的應急返航程序模塊以及開傘、氣囊和緩衝支架釋放等控制單元中融合意外發動機故障應急控制功能，對發動機故障狀態進行實時監控的緊急處置，提供了一種安全、有效，實時監控，自動診斷處置故障的處理方法。解決了發動機故障致命的問題。具有響應快、成功率高、可靠性高的優點。
文檔編號G05B19/02GK102464108SQ201010531809
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月1日 優先權日2010年11月1日
發明者孫曉林, 宋承志 申請人:成都飛機工業(集團)有限責任公司