无人机燃油估算新突破：基于发动机模型的算法设计

摘 要：

针对某型无人机油量传感器容易受到任务设备的无线电信号干扰或出现机械卡死，导致测量失准的问题，对发动机油耗进行建模辨识，提出一种燃油估计算法并在无人机监控软件中对此算法进行编程实现；通过飞行试验对实际油耗和估算油耗进行对比验证，结果表明此燃油估计算法可以作为飞机实际油耗的准确参考，能够作为传感器的有效备份。

关键词：无人机；燃油估计；发动机模型

0 引言

随着某型无人机飞行任务需求越来越广泛，机载任务设备种类也在迅速扩展丰富，对于一些无线电发射类的任务设备，在执行任务的过程中，任务设备开机后的无线电发射信号会对机载油量传感器造成干扰，使得油量传感器检测到的燃油余量不准确，并且在实际飞行中有时会出现油量传感器机械卡死的情况，导致油量显示完全失效。因此，需要对无人机飞行过程中的燃油消耗进行估计，作为机载油量传感器的备份。燃油消耗估计的关键在于建立发动机的燃油特性模型。

本文研究的发动机为该型无人机所配的活塞式发动机，通过大量的地面螺旋桨开车实验的数据对发动机的油耗进行建模研究，得出了燃油消耗的计算公式，根据公式的计算，结合飞机的发动机控制相关参数，即可估算出发动机的累积油耗，通过估计的油量指示，为飞行提供备份参考，从而保证飞机的飞行安全。

1 模型建立

要对发动机的燃油消耗量进行准确的估计，必须根据发动机燃油消耗的数学模型进行估算，而发动机燃油消耗的数学模型的获取，最直接的方法就是参数辨识法。本模型的建立是以大量的发动机地面螺旋桨模拟试验的数据为依据，以此对发动机的油耗进行建模辨识。

发动机燃油消耗量与发动机的节气门位置和转速有直接关系。从燃油消耗量的趋势上可以看出，发动机的燃油消耗量与发动机的节气门位置成正比，而节气门位置相同时又与发动机的转速成正比。

利用多项式拟和算法［1］得出油耗的计算公式mf ＝f（φ，n），得出拟合公式如下：

按照不同转速n 和节气门开度φ 下实际测试的油量消耗数据辨识得出计算公式的C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6等6个系数。根据燃油消耗量计算公式得出的曲线与实际试验测测试取得的数据的对比如图1所示。

图1 燃油消耗量计算曲线与试验数据对比

对比表明计算结果在节气门开度处于中部时与试验数据吻合的很好，而在小开度和大开度时有误差，但基本趋势符合。鉴于无人机飞行过程中发动机大部分工作状态处于中风门附近，因此计算结果可以适用于无人机飞行过程中的燃油估计。

由于发动机的输出功率是随发动机的工作高度变化的，而油耗是随发动机功率成比例变化的。发动机输出功率随高度变化的修正因子如图2所示。

图2 发动机输出功率的高度修正因子

利用曲线拟和技术［2］，可以得出修正因子CH ＝Ch0＋Ch1H ＋Ch2H2。

根据以上公式，可得到燃油消耗量的计算公式：mf ＝CHmf0。

2 软件实现

建立发动机燃油消耗数学模型后，根据模型可在飞行过程中根据实际采集的飞机发动机转速、节气门开度以及不同高度下的发动机功率高度修正因子进行燃油消耗计算，按照飞机实际的采样间隔进行计算，根据飞机飞行时间进行累加，得出飞机在某一段时间的燃油消耗，在界面控制上设计了开关控制，可根据不同的估算时间进行估算。

整个燃油估算作为一个软件模块进行设计，设计完成后，作为插件嵌入飞机原有的监控程序当中。

实现算法的软件流程图如图3所示。

软件部分代码实现如下：

图3 软件模块流程图

3 试验分析

软件设计完成后进行了不带任务载荷飞行试验的验证，飞行时间大约为5h。通过飞机实际的飞行过程的油量数据与估算数值进行比较，估算油耗计算所需的转速及节气门开度来自飞机实际的飞行数据，试验数据比较如表1所示。

表1数据是在飞机的飞行数据中每间隔约1小时采集一组数据，在排除任务设备无线电干扰的情况下，除了飞行完成前的一组数据实际油耗和估计油耗差别较大外，其余的数据均表明实际油耗和估算油耗相差不到2kg。由于飞机在回收前的一段时间处于下降阶段，发动机转速高、节气门位置小，都处于估算模型的非线性区域，因此，此阶段数据偏差较大，考虑飞机已经处在回收阶段，对飞机巡航任务的参考不大，所以，估算油耗的算法基本可以作为实际油耗的参考。

表1 实验数据对比表

在此试验的基础上，进行了多次对比试验，均与以上分析所得结果保持一致。

4 结论

大量试验数据表明，此燃油估计可以作为飞机实际燃油油耗的参考，能够有效的在飞机油量传感器受到干扰或其它原因失效时起到备份作用，提供相对准确的参考。此技术实现已经在某系列飞机上成功应用。

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