肖佳偉，冷月香，趙 娜，徐恒昌

（西安愛生技術集團公司，西安 710065）

摘 要：針對某型無人機油量傳感器容易受到任務設備的無線電信號干擾或出現機械卡死，導致測量失準的問題，對發動機油耗進行建模辨識，提出一種燃油估計算法并在無人機監控軟件中對此算法進行編程實現；通過飛行試驗對實際油耗和估算油耗進行對比驗證，結果表明此燃油估計算法可以作為飛機實際油耗的準確參考，能夠作為傳感器的有效備份。

關鍵詞：無人機；燃油估計；發動機模型

0 引言

隨著某型無人機飛行任務需求越來越廣泛，機載任務設備種類也在迅速擴展豐富，對于一些無線電發射類的任務設備，在執行任務的過程中，任務設備開機后的無線電發射信號會對機載油量傳感器造成干擾，使得油量傳感器檢測到的燃油余量不準確，并且在實際飛行中有時會出現油量傳感器機械卡死的情況，導致油量顯示完全失效。因此，需要對無人機飛行過程中的燃油消耗進行估計，作為機載油量傳感器的備份。燃油消耗估計的關鍵在于建立發動機的燃油特性模型。

本文研究的發動機為該型無人機所配的活塞式發動機，通過大量的地面螺旋槳開車實驗的數據對發動機的油耗進行建模研究，得出了燃油消耗的計算公式，根據公式的計算，結合飛機的發動機控制相關參數，即可估算出發動機的累積油耗，通過估計的油量指示，為飛行提供備份參考，從而保證飛機的飛行安全。

1 模型建立

要對發動機的燃油消耗量進行準確的估計，必須根據發動機燃油消耗的數學模型進行估算，而發動機燃油消耗的數學模型的獲取，最直接的方法就是參數辨識法。本模型的建立是以大量的發動機地面螺旋槳模擬試驗的數據為依據，以此對發動機的油耗進行建模辨識。

發動機燃油消耗量與發動機的節氣門位置和轉速有直接關系。從燃油消耗量的趨勢上可以看出，發動機的燃油消耗量與發動機的節氣門位置成正比，而節氣門位置相同時又與發動機的轉速成正比。

利用多項式擬和算法［1］得出油耗的計算公式mf ＝f（φ，n），得出擬合公式如下：

按照不同轉速n 和節氣門開度φ 下實際測試的油量消耗數據辨識得出計算公式的C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6等6個系數。根據燃油消耗量計算公式得出的曲線與實際試驗測測試取得的數據的對比如圖1所示。

圖1 燃油消耗量計算曲線與試驗數據對比

對比表明計算結果在節氣門開度處于中部時與試驗數據吻合的很好，而在小開度和大開度時有誤差，但基本趨勢符合。鑒于無人機飛行過程中發動機大部分工作狀態處于中風門附近，因此計算結果可以適用于無人機飛行過程中的燃油估計。

由于發動機的輸出功率是隨發動機的工作高度變化的，而油耗是隨發動機功率成比例變化的。發動機輸出功率隨高度變化的修正因子如圖2所示。

圖2 發動機輸出功率的高度修正因子

利用曲線擬和技術［2］，可以得出修正因子CH ＝Ch0＋Ch1H ＋Ch2H2。

根據以上公式，可得到燃油消耗量的計算公式：mf ＝CHmf0。

2 軟件實現

建立發動機燃油消耗數學模型后，根據模型可在飛行過程中根據實際采集的飛機發動機轉速、節氣門開度以及不同高度下的發動機功率高度修正因子進行燃油消耗計算，按照飛機實際的采樣間隔進行計算，根據飛機飛行時間進行累加，得出飛機在某一段時間的燃油消耗，在界面控制上設計了開關控制，可根據不同的估算時間進行估算。

整個燃油估算作為一個軟件模塊進行設計，設計完成后，作為插件嵌入飛機原有的監控程序當中。

實現算法的軟件流程圖如圖3所示。

軟件部分代碼實現如下：

圖3 軟件模塊流程圖

3 試驗分析

軟件設計完成后進行了不帶任務載荷飛行試驗的驗證，飛行時間大約為5h。通過飛機實際的飛行過程的油量數據與估算數值進行比較，估算油耗計算所需的轉速及節氣門開度來自飛機實際的飛行數據，試驗數據比較如表1所示。

表1數據是在飛機的飛行數據中每間隔約1小時采集一組數據，在排除任務設備無線電干擾的情況下，除了飛行完成前的一組數據實際油耗和估計油耗差別較大外，其余的數據均表明實際油耗和估算油耗相差不到2kg。由于飛機在回收前的一段時間處于下降階段，發動機轉速高、節氣門位置小，都處于估算模型的非線性區域，因此，此階段數據偏差較大，考慮飛機已經處在回收階段，對飛機巡航任務的參考不大，所以，估算油耗的算法基本可以作為實際油耗的參考。

表1 實驗數據對比表

在此試驗的基礎上，進行了多次對比試驗，均與以上分析所得結果保持一致。

4 結論

大量試驗數據表明，此燃油估計可以作為飛機實際燃油油耗的參考，能夠有效的在飛機油量傳感器受到干擾或其它原因失效時起到備份作用，提供相對準確的參考。此技術實現已經在某系列飛機上成功應用。

參考文獻：

［1］Richard O.Duda，Peter E.Hart，David G.Stork.模式識別（第2版）［M］.紐約：Wiley出版社，2001.

［2］才 睿，郭 昱，薛云朝，等.飛行器角速度測試的方法研究［J］.計算機測量與控制，2008（12）：1907－1908.

［3］Stephen Prata.C＋＋Primer Plus（第5版）中文版［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［4］孫 鑫.VC＋＋深入詳解［M］.北京：電子工業出版社，2006.

Design and Implementation of an UAV Fuel Estimate Algorithm Based on Engine Model

Xiao Jiawei，Leng Yuexiang，Zhao Na，Xu Hengchang
（Xi’an ASN Technology Group Co.，Ltd.，Xi’an 710065，China）

Abstract：Aim at the Fuel sensor can be disturbed by some wireless device or be stuck in a position of a UAV，identification of the engine fuel consumption model，a fuel estimation algorithm is proposed and implement by the UAV monitoring software.Compare actual fuel consumption with estimated fuel consumption through flight test，the results showed that the estimated fuel algorithm can be used as the backup of the fuel sensor.

Keywords：UAV；fuel estimate；engine model

文章編號：1671－4598（2015）03－0855－03

中圖分類號：TH873.7

文獻標識碼：A

收稿日期：2014－06－05；

修回日期：2014－08－25。

基金項目：國家自然科學基金（61074155）。

作者簡介：肖佳偉（1986－），男，陜西興平人，碩士，主要從事無人機控制，導航與制導方向的研究。

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