一种无人机多源混合动力能源管理智能控制系统及方法与流程

本发明涉及多源混合动力技术领域，具体涉及一种无人机多源混合动力能源管理智能控制系统及方法。

背景技术：

混合动力电推进系统的优势在与其运行时噪声低、减少热量损失，飞行过程中给电池充电，允许小型内燃机用于巡航工况，能充当备用能源，实现反向电机启动以及空中内燃机重启；无人机配置混合动力电推进系统不仅可能增加飞行时间并减少燃油消耗，而且在纯电动模式下能够“隐身”完成监视任务，从而大大降低了发动机的噪声和热量损失。

针对设计完成的混合动力电推进系统，需要设计满足使用需求的控制系统实现对该系统的有效控制。公开号cn109710989a的发明专利申请公开了一种无人机油电混合动力能源管理优化方法和系统。其中，无人机油电混合动力能源管理优化法系统基于python编写，应用python搭建界面。但是其存在以下缺陷：(1)该系统基于python编写并应用python搭建界面，其本质为软件系统而并非用于无人机飞行控制的基于控制平台的系统；该系统可用于混合动力无人机能量管理方案的优化，但并不能对混合动力无人机进行实时控制，其作用更多在于能量管理策略的设计而非应用；(2)该系统对于飞行过程已知或可以预测的工况可以实现较好的优化效果，对于实际的无人机飞行工况适应性并不佳。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种无人机多源混合动力能源管理智能控制系统及方法，应用于无人机控制系统，以解决现有技术中对于无人机飞行工况适应性不佳的问题。

本发明的第一方面提供一种无人机多源混合动力能源管理智能控制系统，该系统包括：一飞控系统、分别与飞控系统连接发动机智能控制系统和一isg启动/发电一体电机智能控制系统以及一智能能量分配系统，发动机智能控制系统与发动机之间通讯连接，isg启动/发电一体电机智能控制系统与isg启动/发电一体电机之间通讯连接，智能能量分配系统分别与发动机智能控制系统以及isg启动/发电一体电机之间通讯连接。

优选地，发动机智能控制系统至少包括一能量分配比例计算模块，用于向所述智能能量分配系统传输一个能量分配比例。

优选地，飞控系统通过一旋翼发动机智能控制系统连接旋翼发动机，

优选地，飞控系统通过一蓄电池智能管理系统连接蓄电池。

优选地，蓄电池连接旋翼电动机，为旋翼电动机提供电能。

优选地，智能能量分配系统与蓄电池以及旋翼电动机连接，智能能量分配系统用于将isg启动/发电一体电机发出的电能按合适的比例进行分配，分别供给用于控制无人机飞行的旋翼电动机、蓄电池和相关机载设备。

优选地，发动机智能控制系统还包括一发动机状态监测模块以及一发动机控制模块，所述发动机状态监测模块和发动机控制模块均与发动机以及飞控系统之间通讯连接。

本发明的第二方面提供一种无人机多源混合动力能源管理智能控制方法，包括：

s10：智能能量分配系统获取isg起动/发电一体电机的发电量；

s20：发动机智能控制系统获取当前的电池soc(stateofcharge，充电状态)和旋翼电动机的功率信号；

s30：发动机智能控制系统基于当前的电池soc(stateofcharge，充电状态)和旋翼电动机的功率信号，根据模糊规则确定一能量分配比例，并将该能量分配比例传输给智能能量分配系统；

s40：智能能量分配系统根据该能量分配比例对isg起动/发电一体电机的发电量进行分配。

优选地，智能能量分配系统获取isg起动/发电一体电机的发电量的过程包括：

s101：飞控系统通过旋翼电动机智能控制系统实时获取旋翼电动机的功率，通过蓄电池智能能量管理系统实时监控蓄电池的soc(stateofcharge，充电状态)；

s102：飞控系统将当前的电池soc(stateofcharge，充电状态)和旋翼电动机的功率信号传输给发动机智能控制系统，作为能量分配比例计算模块的输入参数。

优选地，还包括对发动机的状态进行监测的过程以及对发动机进行控制的过程，对发动机控制的过程包括：首先接收目标转速的信号；然后根据发动机当前转速，从map表中查到当前的节气门开度以及当前点火提前角；将当前的节气门开度以及当前点火提前角进行pid反馈，得到节气门开度调整量以及点火提前角调整量；根据节气门开度调整量以及点火提前角调整量调整发动机的节气门开度以及点火提前角。

本发明具有的优点和积极效果是：(1)本发明设计的无人机多源混合动力能源管理智能控制系统从实际控制要求和控制目标出发，根据实际控制需求搭建该系统，该系统是应用于无人机控制的系统而并非是对于能源管理方案的设计；(2)本发明设计的无人机多源混合动力能源管理智能控制系统由多个子系统组成，不同的子系统可以布置于无人机的不同位置，以便于对被控对象进行控制为最佳布置方式，该设计方案可以有效平衡无人机各部分的重量分配，有利于整机动力系统和控制系统的合理设计和布置；(3)本发明设计的无人机多源混合动力能源管理智能控制系统采用智能化控制算法，可根据无人机飞行状态和周围环境自动调整动力系统各部分的控制效果，对工况和环境的变化具有自适应的特点；可以有效降低控制系统开发中参数标定的工作量，缩短系统开发周期，降低系统开发成本，在无人机飞行过程中也可以降低由于控制人员操作失误可能导致的风险；(4)本发明设计的无人机多源混合动力能源管理智能控制系统采用can通讯进行内部子系统以及能源管理系统与飞控系统间的通讯；该通讯方式传输速度快、效率高，可将信息及时传递到各接收单位，提高了系统整体的运行效率，可有效避免因数据传输延迟导致的系统故障等问题的发生。

附图说明

图1是本发明无人机多源混合动力能源管理智能控制系统的结构示意图；

图2是本发明的智能能量分配系统进行能量分配的过程示意图；

图3是本发明的发动机智能控制系统基于模糊规则计算能量分配比例的过程示意图；

图4是本发明的发动机控制模块对发动机的控制过程示意图；

图5是本发明的节气门开度的控制过程示意图；

图6是本发明的点火提前角的控制过程示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。

本发明提供一种无人机多源混合动力能源管理智能控制系统，用于对无人机多源混合动力系统进行控制以及能量管理；无人机多源混合动力系统至少包括一发动机以及一isg启动/发电一体电机，其中，发动机为整个动力系统提供电能，这些能量需要满足无人机飞行以及机载设备用电的需求，因此发动机可以看作整个无人机的动力来源，因而对于发动机的控制至关重要。

如图1所示，本发明的无人机多源混合动力能源管理智能控制系统至少包括一飞控系统、分别与飞控系统连接发动机智能控制系统和一isg启动/发电一体电机智能控制系统以及一智能能量分配系统，发动机智能控制系统与发动机之间通讯连接，isg启动/发电一体电机智能控制系统与isg启动/发电一体电机之间通讯连接，智能能量分配系统分别与发动机智能控制系统以及isg启动/发电一体电机之间通讯连接。

具体的，发动机智能控制系统至少包括一能量分配比例计算模块，用于向所述智能能量分配系统传输一个能量分配比例，智能能量分配系统从isg启动/发电一体电机获取总发电量，并且从智能能量分配系统接收一个能量分配比例，并根据该能量分配比例向各负载分配能量；在分配能量的同时，智能能量分配系统将能量分配比例及时向发动机智能控制系统反馈，发动机智能控制系统将该信息反馈至飞控系统，便于地面控制人员对能量分配情况进行实时监控。

具体的，如图2所示，发动机智能控制系统的能量分配比例计算模块基于模糊规则确定能量分配比例；模糊控制的输入是当前的电池soc(stateofcharge，充电状态)和旋翼电动机的功率，输出是向旋翼电动机分配的能量比例。

进一步地，如图3所示，整个模糊控制的过程中包括输入参数，具体例如当前的电池soc(stateofcharge，充电状态)和旋翼电动机的功率，并对输入参数进行模糊化；然后将模糊化后的参数送入推理机，推理机根据模糊规则输出推理结果，推理结果解模糊之后输出能量分配比例；本实施例通过对电池soc和旋翼电动机功率的实时获取可以及时更新计算得到的能量分配比例，从而提高能量利用的效率。

进一步地，发动机智能控制系统从飞控系统实时接收模糊控制的输入的参数电池soc(stateofcharge，充电状态)和旋翼电动机的功率。

在本发明的一个具体的实施例中，飞控系统通过一旋翼发动机智能控制系统连接旋翼发动机，该实施例中，旋翼发动机智能控制系统对旋翼发动机的运行状态进行实时监控，飞控系统通过所述旋翼电动机智能控制系统实时获取旋翼电动机的功率，并将该获取的旋翼电动机的功率传输给发动机智能控制系统，作为能量分配比例计算模块的输入参数。

进一步地，旋翼发动机智能控制系统还用于对直接驱动无人机的旋翼电动机进行控制；根据飞控系统发出的飞行需求，旋翼电动机智能控制系统对旋翼电动机的转速进行控制，确保旋翼的转速与无人机当前的飞行要求相匹配；旋翼电动机智能控制系统同时检测旋翼电动机的转速、电压、电流等参数并及时向飞控系统进行反馈，便于无人机控制人员及时了解飞机当前的飞行状态。

在本发明的又一个具体的实施例中，飞控系统通过一蓄电池智能管理系统连接蓄电池；在该实施例中，蓄电池智能能量管理系统实时监控蓄电池的soc(stateofcharge，充电状态)并传输给飞控系统，飞控系统将该参数传输给发动机智能控制系统，作为能量分配比例计算模块的输入参数。

具体的，蓄电池智能能量管理系统可监控的电池参数主要包括输出电流、开路电压、放电时间、soc(stateofcharge，充电状态)、soh(stateofhealth，健康程度)、充放电循环次数、电池温度等；通过采集蓄电池的输出电流、开路电压和放电时间，蓄电池智能能量管理系统可以计算出电池当前的soc(stateofcharge，充电状态)，并判断是否需要为蓄电池充电；另外当蓄电池温度过高或过低时需要采取措施使电池温度控制在合理的范围内，保持蓄电池处于充放电效率较高的温度区间。蓄电池智能能量管理系统将测得的电池参数发送给飞控系统，用于监控蓄电池的状态，同时其也可根据当前的电池状态对蓄电池进行温度控制或在紧急情况下切断蓄电池的充放电过程。

进一步地，智能能量分配系统与蓄电池以及旋翼电动机连接，智能能量分配系统用于将isg启动/发电一体电机发出的电能按合适的比例进行分配，分别供给用于控制无人机飞行的旋翼电动机、蓄电池和相关机载设备。智能能量分配系统接收来自发动机智能控制系统的信号，确定能量分配比例，随后按设定的能量分配规则分别向旋翼电动机、蓄电池和机载设备供应相应的电能，确保旋翼电动机能够正常工作，满足飞行要求，蓄电池的电量能够得到及时补充，机载设备能够正常运行。在分配电量的同时，智能能量分配系统将能量分配比例及时向飞控系统反馈，便于地面控制人员对能量分配情况进行实时监控。

在本发明的一个具体的实施例中，所述发动机智能控制系统至少包括一发动机状态监测模块以及一发动机控制模块，所述发动机状态监测模块和发动机控制模块均与发动机以及飞控系统之间通讯连接。

发动机状态监测模块用于实时观测发动机状态，获取发动机运行的最新情况，为发动机控制模块实现对发动机的有效控制提供保障。发动机监测模块可监测的发动机参数包括：发动机转速、喷油脉宽、喷油相位、点火提前角、进气温度、进气压力、发动机缸体温度、节气门开度等，这些参数可以反映发动机的运行状态，为发动机控制参数的设定提供依据。

发动机控制模块用于控制发动机，使其能够正常工作并满足无人机在飞行过程中所需的能量要求。发动机控制模块的控制参数包括喷油脉宽、点火提前角、节气门开度等。喷油脉宽的控制根据发动机的转速和节气门位置根据标定得到的map查表得到，点火提前角在发动机运行较为平稳时也可通过该方法获得。当需要进行转速控制时，点火提前角和节气门开度作为转速调节的控制参数在维持发动机正常工作的基础上再次进行计算，其调节方式如图4所示。

具体为，首先接收目标转速的信号；然后根据发动机当前转速，从map表中查到当前的节气门开度以及当前点火提前角；将当前的节气门开度以及当前点火提前角进行pid反馈，得到节气门开度调整量以及点火提前角调整量；根据节气门开度调整量以及点火提前角调整量调整发动机的节气门开度以及点火提前角。

其中目标转速是发动机智能控制系统从所述飞控系统接收飞行信号，通过对飞行信号的解析获得，飞行信号是飞控系统向发动机智能控制系统发送的控制信号，其本质为遵循can通讯协议的信息，根据该信息的具体内容确定具体的飞行意图。接收到飞行信号后发动机智能控制系统对其进行解析，从而确定当前指令下的飞行意图、发动机目标转速等控制参数，确定目标转速后对节气门开度和点火提前角进行调节。

具体的，如图5所示，节气门开度pid反馈调节中针对积分饱和问题做了积分上下限设计。由于50rpm以内的误差属于正常波动，因此在误差大于50rpm时才进行积分累积。

如图6所示，点火提前角的调节过程中不能无限制增大或减小，为确保发动机正常运转，需要对点火提前角的调节范围进行限制。

进一步地，isg起动/发电一体电机智能控制系统主要控制isg起动/发电一体电机的工作模式和isg起动/发电一体电机的负载扭矩。由于iisg起动/发电一体电机同时集成了起动和发电的功能，因此在发动机需要起动时首先控制isg起动/发电一体电机进入起动状态，带动发动机平稳起动。当发动机完成起动并进入怠速状态后依据负载电动机的功率需求和蓄电池的soc(stateofcharge，充电状态)判断isg起动/发电一体电机需要的发电功率并计算在该功率下isg起动/发电一体电机需要产生的扭矩，从而控制isg起动/发电一体电机进入目标工作状态，进而改变发动机的工况以满足isg起动/发电一体电机发电的需求。isg起动/发电一体电机智能控制系统需要接收发动机智能控制系统发送的对于isg起动/发电一体电机工作状态、输出扭矩等参数的控制，并需要向飞控系统反馈当前的isg起动/发电一体电机运行状态参数，以便无人机控制人员对isg起动/发电一体电机的运行状态进行实时监测。

本发明的第二方面提供一种无人机多源混合动力能源管理智能控制方法，包括：

s10：智能能量分配系统获取isg起动/发电一体电机的发电量；

s20：发动机智能控制系统获取当前的电池soc(stateofcharge，充电状态)和旋翼电动机的功率信号；

s30：发动机智能控制系统基于当前的电池soc(stateofcharge，充电状态)和旋翼电动机的功率信号，根据模糊规则确定一能量分配比例，并将该能量分配比例传输给智能能量分配系统；

s40：智能能量分配系统根据该能量分配比例对isg起动/发电一体电机的发电量进行分配。

进一步地，智能能量分配系统获取isg起动/发电一体电机的发电量的过程包括：

s101：飞控系统通过旋翼电动机智能控制系统实时获取旋翼电动机的功率，通过蓄电池智能能量管理系统实时监控蓄电池的soc(stateofcharge，充电状态)；

s102：飞控系统将当前的电池soc(stateofcharge，充电状态)和旋翼电动机的功率信号传输给发动机智能控制系统，作为能量分配比例计算模块的输入参数。

本发明还包括对发动机的状态进行监测的过程以及对发动机进行控制的过程。

具体，对发动机控制的过程包括：首先接收目标转速的信号；然后根据发动机当前转速，从map表中查到当前的节气门开度以及当前点火提前角；将当前的节气门开度以及当前点火提前角进行pid反馈，得到节气门开度调整量以及点火提前角调整量；根据节气门开度调整量以及点火提前角调整量调整发动机的节气门开度以及点火提前角。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

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