专利名称：无人机发动机故障处理方法
技术领域：
本发明是关于无人机在发动机发生故障，用飞行控制计算机系统对飞机进行处理方法。
背景技术：
无人机是一种自身携带传感器少，本身不能排除故障，自主控制能力较差的一种无人驾驶飞行器，其控制在很大程度上要比有人作战飞机复杂得多。而发动机是飞机的心脏，也是容易发生故障的主要部件。一旦发动机出现故障，发生坠机事故的几率非常高。通常无人机发动机故障的原因主要包括发动机停车故障发动机温度过高拉缸、发动机点火系统故障、供油故障发动机熄火停车，这些故障是一种直接导致飞机无动力，飞机失速坠毁非常致命的事故；发动机失控故障主要包括发动机风、油门(含舵机)卡死；发动机失控不能停车故障发动机风(含舵机)卡死或不能关闭到完全“停车位置”。发动机失控和不能停车故障将导致不能完成任务，不能安全返航，无法回收的严重后^ ο现有技术中的无人机没有采用自动诊断、控制和相应故障处置功能装置的支持， 在发动机故障时，通常是依靠飞机本身的滑翔能力，选择当时地面条件进行迫降来解决，而且成功的概率也不大，基本上不能有效保护飞机的正常飞行和回收。因此安全性、可靠性均较差。如何对空中飞行中发生故障的无人机发动机进行保护，特别是对发生空中停车、失控和不能停车进行保护，以降低和避免无人机及机载设备的损失，提高无人机的生存力，降低使用费用一直是设计师们期盼解决的问题。
发明内容
本发明的目的是针对无人机本身不能排除故障，自主控制能力较差，发动机故障致命的问题，提供一种安全、有效，能够对发动机故障状态进行实时监控，并具有自动诊断、 控制和故障处置并回收飞机的功能，实现无人机“故障安全”的处理方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种无人机发动机故障处理方法， 至少包括带有数据采集及信号处理的控制计算机系统，其特征在于，它还包括配置在空中计算机中的系统故障自动诊断、故障处置控制模块逻辑程序模块；通过信号采集技术实时提取发动机转速传感器信号的程序模块；用于监测点火装置电压和频度的程序模块；用于发动机缸温传感器实时监测判别是否发生拉缸故障的程序模块。以及在故障自动诊断、控制和故障处置逻辑程序模块中可设定的(1)发动机转速门限值子程序模块；(2)发动机缸温门限值子程序模块；
3
(3)通过风、油门舵机位置反馈，判别发动机失控和不能停车故障子程序模块；(4)控制计算机系统根据上述各门限及相应舵机位置反馈，采用“事件管理触发” 及“定时中断”方式实现相应故障的诊断并判别故障性质和严重程度的程序模块；(5)对飞机状态监控并通过测控系统向地面站回报故障编码的程序模块；(6)处置程序根据故障性质和严重程度的判别，分别进行控制计算机系统发出 “应急返航”、“飞向指定区域”或“盘旋”指令，采用“事件管理触发”及“定时中断”方式启动相关预装订任务集的子程序模块；(7)它还包括连接降落伞、气囊及缓冲支架等功能装置进行应急回收的控制单元进行无人机应急回收；所述控制单元至少连接有二路保护功能及启动触发途径的程序模块。所述控制单元的连接到应急开伞控制和返航至少有二路途径保护功能来实现启动触发的子程序模块。(即，除通过飞控计算机系统的程序控制外，还可根据飞控系统发回给地面站的故障报警情况，选择“手控”或“遥控”进行包括“返航”、“开伞”、“气囊”及“缓冲支架”释放等不同的处置措施)。本发明相比于现有技术具有如下有益效果。本发明基于现有技术融合，在控制计算机系统的故障诊断单元及包括导航系统的应急返航程序模块以及开伞、气囊和缓冲支架释放等控制单元中融合意外发动机故障应急控制功能，控制计算机系统的故障诊断单元对发动机故障状态进行实时监控，当诊断并判别出包括发动机点火装置电压及频度、转速和缸温门限、风/油门舵机故障状态时，控制计算机系统将根据诊断的故障性质及严重程度，采取相应措施进行紧急处置，达到无人机系统“故障安全”要求。其中采用多路应急处置方式进行自动控制，保证了系统保护的可靠性。 解决了无人机发动机本身不能排除故障，发动机故障致命的问题。因此本发明提供了一种安全、有效，能够对发动机故障状态进行实时监控，并具有自动诊断、控制和处置故障并回收飞机功能的故障处理方法。其中的自动控制/诊断及多选择处置功能，具有性能优异、成功率高、响应快、可靠性高的优点。
下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。图1是本发明发动机非正常空停故障处理模块程序流程图。图2发动机故障飞控控制流程框图。图3是本发明对发动机空停实施应急处理的流程示意图。图4是本发明对发动机风、油门舵机卡死故障判别流程示意图。图5是本发明的故障处置应急开伞1流程示意图。图6是本发明的故障处置应急开伞2流程示意图。
具体实施例方式为了解决无人机飞行器发动机发生空中停车、失控和不能停车进行保护的问题， 本发明无人机发动机故障处理方法，包括带有数据采集及信号处理的控制计算机系统，并在所述控制计算机中配置系统故障自动诊断模块和故障处置逻辑程序模块。用于发动机转速监测以及采用控制伞降、缓冲气囊/支架等功能装置进行无人机应急回收的程序模块是基于控制计算机系统的发动机故障自动诊断、故障处置控制逻辑程序模块。它主要包括(1)提取发动机转速传感器信号的“信号采集程序模块”(包括“光隔”、“A/D采集”、“事件管理器捕获”等元件)；(2)通过感应器件及A/D采集等技术实时监测点火装置电压及频度程序模块；(3)采用发动机热敏元件和热电偶等缸温传感器实时监测判别拉缸故障是否发生的程序模块(4)在故障自动诊断、控制策略和处置程序中设置的1)发动机转速门限值程序模块(可设定)；2)发动机缸温门限值程序模块(可设定)；3)通过风、油门舵机位置反馈，判别发动机失控和不能停车故障程序模块。控制计算机系统根据各门限及相应舵机位置反馈，采用“DSP事件触发”或“定时中断”实现相应故障的诊断并判别故障性质和严重程度的程序模块；4)通过测控系统向地面站回报故障编码的程序模块；5)控制策略和处置程序模块根据故障性质和严重程度的判别，分别由控制计算机系统发出“应急返航”、“飞向指定区域”、“盘旋”指令，以及结合飞机飞行边界——“速度边界门限”和“高度边界门限”的监控，选择启动相应的预装订应急任务集和子程序模块；还包括连接降落伞、气囊及缓冲支架等控制单元的处置程序模块和驱动控制部件，所述相关控制单元至少连接有二路保护功能及启动触发途径。图1主要描述了发动机的转速、缸温及风/油门位置信号采集的流程。该流程的运作过程是，飞控系统实时监测发动机工作状态，实时将发动机转速、缸温、点火电压及频度信号，由光隔等器件整理为方波形式信号，输入到计算机的“事件管理器模块”，使之被捕获或采集。图2主要描述了发动机气缸温度超高的应急处理模块程序流程和发动机超温故障判别流程。该流程的运作过程是，一旦发生发动机气缸温度持续高于设定的安全门限 (如大于200°C )，则判定为发动机空中“拉缸故障”，即刻按“应急开伞1”处置，立即开伞。图3主要描述了发动机非正常空停故障处理模块程序流程和空中停车故障判别流程。当发动机转速持续一定时段低于门限(如小于IOOOrpm持续XX秒)的监测、以及点火工作电压及频度(点火电压小于设定门限)情况时，如风门舵机反馈位置监测确认没有 “停车指令”要求(通过位置电位计及PWM的脉宽站空比，即风、油门不在“正常停车”位置)， 则判定为“空中意外停车”故障。控制计算机系统通过对诊断到的故障严重情况判别，决策采用何种处置模式。为提高系统的可靠性，可采用余度设计，增加冗余。在飞机当前状态， 根据飞机动静压传感器采集的气压高度与预先设定的安全开伞门限高度比较，采用两种处置方式低于安全高度选择“应急开伞1”，高于安全高度选择“应急开伞2”，以最大限度地保护飞机及设备。图4主要描述了发动机风、油门舵机卡死故障判别的流程和风门、油门卡死故障处置的方式。处置采用应急直线返航和应急释放回收降落伞。该流程的运作过程是，当飞控系统接到发动机风“关风门”指令，监测发动机转速，转速持续χ秒时间如大于1000rpm(可设定的门限)成立，则判断为风门及舵机卡死故障，既向导航控制系统发出“盘旋”指令，作 “耗油盘旋”飞行，直至燃油耗尽，自然启动发动机“空中停车”故障处理模块，实现飞机的伞降回收。当飞控(计算机)系统接到发动机油门状态改变(如“额定”、“大车”等)指令，监测发动机转速，在χ秒时间转速变化是否大于300rpm(可设定的门限)，“是”则正常，“否” 则判断为油门及舵机卡死故障，既向导航控制系统发出“直线返航”指令。图5，6主要描述了和故障处置应急开伞2的两种流程和故障处置的方式。其流程的运作过程是，故障采用应急释放回收降落伞，在接地时启动气囊及缓冲支架(包括接地后的切伞)，更为有效的保证飞机安全。降落伞、气囊及缓冲支架的释放(包括接地后的切伞)，通过应急处置模块，按处置程序向执行设备发出驱动指令，采用“继电器”、“开关电路” 及“接触器”等，触发相应的“燃爆器”、“电动” “气动”或“液力”作动机构，实现降落伞、气囊及缓冲支架(包括接地后的切伞)释放。接地信号，可通过“机械触地开关”、“近距高度表”、“红外感应及近的引信”等获得。故障处置应急开伞1，为立即开伞，当飞控(计算机)系统接到“应急开伞1”指令， 即刻通过应急处置模块依次向发出“关闭程序控制”、“姿态改平”、“关发动机风/油门(停车)，，等指令、监测的发动机转速一旦低于XXXrpm(可设定)，即发出“开伞”指令。当飞机接近地(水、草等)面，接地信号触发被触发，应急处置模块发出气囊及缓冲支架(包括接地后的切伞)释放指令。故障处置应急开伞2，为可延迟性开伞，在“应急开伞1”故障处置模块基础上，增加高度判断和下滑程序，在开伞前将调整飞机到一个更为有利和安全的条件状态。
权利要求
1.一种无人机发动机故障处理方法，至少包括带有数据采集及信号处理的控制计算机系统，其特征在于，它还包括配置在控制计算机中的系统故障自动诊断、控制和故障处置逻辑程序模块；用于提取发动机转速传感器信号的器件及程序模块；(A/D采集、光隔、事件管理等)通过感应器件及A/D采集等实时监测发动机点火装置电压和频度的程序模块；用缸温热电偶传感器及A/D采集等实时监测判别发动机拉缸故障是否发生的程序模块。
2.根据权利要求1所述的发动机故障处理方法，其特征在于所述的故障自动诊断、控制和故障处置逻辑程序模块中至少设定有发动机转速门限值子程序模块。
3.根据权利要求1或2所述的发动机故障处理方法，其特征在于所述的故障自动诊断、 控制和故障处置逻辑程序模块中至少设定有发动机缸温门限值子程序模块。
4.根据权利要求1或2或3所述的发动机故障处理方法，其特征在于所述的故障自动诊断、控制和故障处置逻辑程序模块中至少设定有通过风、油门舵机位置反馈，判别发动机失控和不能停车故障的子程序模块。
5.根据权利要求4所述的发动机故障处理方法，其特征在于所述的故障自动诊断、控制和故障处置逻辑程序模块中至少设定有控制计算机系统根据上述各门限及相应舵机位置反馈，采用“事件管理触发”或“定时中断”方式实现相应故障的诊断并判别故障性质和严重程度的程序模块。
6.根据权利要求5所述的发动机故障处理方法，其特征在于所述的故障自动诊断、控制和故障处置逻辑程序模块中至少设定有对飞机状态监控并通过测控系统向地面站回报故障编码的程序模块。
7.根据权利要求1至6任何一个权利要求所述的发动机故障处理方法，其特征在于所述的故障自动诊断、控制和故障处置逻辑程序模块中至少设定有，控制策略和处置程序根据故障性质和严重程度的判别，分别进行控制计算机系统发出“应急返航”、“飞向指定区域”或“盘旋”指令，启动相关预装订任务集的子程序模块。
8.根据权利要求6所述的发动机故障处理方法，其特征在于它还包括连接降落伞、气囊及缓冲支架等等功能装置进行应急回收的控制单元进行无人机应急回收的程序模块。
9.根据权利要求6所述的发动机故障处理方法，其特征在于所述控制单元至少连接有二路保护功能及启动触发途径的程序模块。
全文摘要
本发明涉及一种无人机发动机故障处理方法，包括带有数据采集及信号处理的控制计算机系统和配置在控制计算机中的系统故障自动诊断、控制和故障处置逻辑程序模块；用于提取发动机转速传感信号并实时监测点火装置电压和脉冲频度的信号采集元器件及程序模块，用于发动机缸温传感器实时监测判别拉缸故障是否发生的程序模块。本发明在控制计算机系统的故障诊断单元及包括导航系统的应急返航程序模块以及开伞、气囊和缓冲支架释放等控制单元中融合意外发动机故障应急控制功能，对发动机故障状态进行实时监控的紧急处置，提供了一种安全、有效，实时监控，自动诊断处置故障的处理方法。解决了发动机故障致命的问题。具有响应快、成功率高、可靠性高的优点。
文档编号G05B19/02GK102464108SQ201010531809
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者孙晓林, 宋承志 申请人:成都飞机工业(集团)有限责任公司