[0001] 本发明属于航空飞行无线控制技术领域，具体涉及双冗余的飞机螺旋桨无线变距系统及变距控制方法。

[0002] 变距螺旋桨控制系统的研究，其目的在于让整个飞行器系统的效率在与定距桨系统效率相比较之下有与一个质的飞跃。而与定距桨系统相比，螺旋桨变距的应用提高了推进系统的效率，使飞行器的机动性、长航时性以及整个飞行器系统的总体效率等方面有了很大的提高和改善。螺旋桨变距方式是指通过电机转动产生变桨驱动力，带动机械传动机构使螺旋桨桨叶转动，从而改变气流对叶攻角，进而使螺旋桨保持较高的效率。

[0003] 通常飞机螺旋桨有线变距系统中的变距电机包含在螺旋桨变距机械中，随着螺旋桨高速旋转。飞机螺旋桨电动变距系统一般通过导电滑环来连接飞机机身与高速旋转的螺旋桨，为变距电机提供电能和传输信号。对高速旋转中变距电机的控制需要使用导电滑环。与采用电滑环进行电能和信号传输方式相比较，无线电能及信号传输技术具有非接触、无磨损、灵活方便等诸多优势。无线变距控制系统有效避免了由于飞机螺旋桨长时间高速旋转引起的导电滑环表面溫度过高，导致导电滑环与电刷超温故障等问题。同时航空飞行产品中电磁场的工作环境复杂大面积金属覆盖会阻碍电磁耦合，产生涡流损耗，降低传输效率。

[0004] 因此，在复杂金属环境下，如何降低损耗，增加耦合，以实现最大效率传输并提升无线控制稳定性是非常有意义的。

[0032] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的系统的例子。

[0033] 现有技术中，飞机螺旋桨电动变距系统通常使用导电滑环连接飞机机身和高速旋转的螺旋桨，为变距电机提供电能和传输信号，但由于螺旋桨长时间高速旋转会引起导电滑环表面温度过高等问题，为此，首先本实施方案提供了一种双冗余的飞机螺旋桨无线变距系统，包括：驾驶集成控制板1、电源配电总成箱2、Lora通信系统3、无线数传电台4、无线供电系统、发射双天线7、接收双天线9、变距电机10、螺旋桨机械机构11；其中无线供电系统包括发射线圈组6、接收线圈组8；发射双天线7包括天线一、天线二，接收双天线9包括天线三、天线四；

[0034] 天线一、天线三与Lora通信系统3连接，天线二、天线四与无线数传电台4连接；

[0035] 所述Lora通信系统3、无线数传电台4与驾驶集成控制板1连接；

[0036] 所述Lora通信系统3、无线数传电台4与变距电机10连接，用于向变距电机10发送转动指令；变距电机10带动螺旋桨机械结构11转动；

[0037] 所述变距电机中的传感器，用于监测螺旋桨机械机构12实际转动参数信息，所述变距电与Lora通信系统3、无线数传电台4信号连接，Lora通信系统3、无线数传电台4将接收到的螺旋桨机械机构11实际转动参数信息反馈给驾驶集成控制板1；

[0038] 所述电源配电总成箱2分别与无线供电系统、驾驶集成控制板1连接，无线供电系统中的接收线圈组8与变距电机10连接。

[0039] 还包括显示屏5，所述驾驶集成控制板1与显示屏5连接；电源配电总成箱2与显示屏5连接。

[0040] 本实施方案中的无线供电系统为磁感应式，无线供电发射端输入的直流电经过整流逆变电路变换为交流电；随后根据系统对输出频率的需求，再经过高频逆变电路处理后成为相应的高频交流电，激励耦合线圈和补偿结构产生谐振；一侧线圈产生高频交变的磁场，通过磁耦合作用将功率传输至另一侧线圈后再次生成高频交流电；最后经过相关整流滤波处理后将直流电输送至用电负载。

[0041] 电源配电总成箱2具有多种配电电路，电源配电总成箱2与发射线圈组6连接，发射线圈组6包含高频振荡器、功率放大器等发射装置。电源配电总成箱2同时与驾驶集成控制板1和显示屏5相连接；

[0042] 具体地，电源配电总成箱设置有多种电压供电。其中，电源配电总成箱与耦合线圈连接，电源配电总成箱包含有转换可调节电路，电源可提供12V‑48V可调电压输出，电源配电总成箱与无线供电发射耦合线圈连接，同时电源配电总成箱与驾驶集成控制板连接提供5V和3.3V供电，电源与显示屏连接提供5V供电。

[0043] 本实施方案使用切换单元用来监测/切换2套发射天线和2套接收天线的工作状态；切换单元由单片机配合外围电路实现，通过串口和Lora通信、数传电台通信，根据串口通信状态向Lora通信和数传电台发送主、备设置指令；单片机I/O口通过中间继电器控制驱动单元的上电接触器；当Lora通信作为主机工作时，如果Lora通信系统检测有故障或者与切换单元的通信中断，切换单元切断驱动Lora通信的驱动并向数传电台系统发送主备切换指令，数传电台作为主机马上开始工作。

[0044] 天线一和天线二为了保证变距控制指令准确发送，所以采用双冗余系统双天线发送；在接收双天线9中的天线三和天线四，天线三和天线四与变距电机10中的信号输入端连接；接收线圈组8与变距电机10电源输入端连接；变距电机10的旋转输出端带动螺旋桨变距机械机构11使螺旋桨桨叶角度改变。传感器监测变距系统实际转动的工作状态、转速、桨距数据等信息参数，并由双冗余通信系统反馈给驾驶集成控制板1。

[0045] 所述Lora通信芯片型号为E22‑230T33E，工作频率为233M，配合使用的天线一和天线三为fpc的天线。无线数传电台型号为E95M‑DTU(400SL22‑485)，工作频率为433M，配合使用的天线二和天线四为圆环天线。二者工作频率不同，不会受到干扰影响。

[0046] 应用上述系统，采用如下控制流程：

[0047] S1：经发射线圈组电路中的高频震荡器、功率放大器后，产生耦合现象后，接收线圈组经电路整流提取放大整理后得到电能。接收线圈组与变距电机连接，为变距电机无线供电。

[0048] S2：所述Lora通信系统和无线数传电台与驾驶集成控制板连接，驾驶集成控制板型号为STM32F103ZET6。驾驶集成控制板同时向Lora通信系统和无线数传电台收发信号指令，Lora通信系统和无线数传电台之间是数据同步的。

[0049] S3：在发射线圈组及双天线总成中的天线一和天线二，天线一与Lora通信系统连接，天线二与无线数传电台连接。天线一和天线二为了保证变距控制指令准确发送，所以采用双冗余设计双天线发送。在接收线圈及双天线总成中的天线三和天线四，天线三和天线四作为双天线接收变距控制指令，避免因电磁器件复杂环境下引起的电磁涡流干扰造成信号传输受阻问题。

[0050] S4：变距电机接收来自天线的变距指令，带动螺旋桨机械传动机构使螺旋桨桨叶角度变化转动。

[0051] S5：变距电机中的传感器监测变距系统实际转动的工作状态、转速、桨距数据等信息参数，再由双冗余通信系统反馈回驾驶集成控制板，并通过显示屏显示。

[0052] 双冗余通信系统的组成如图3所示。Lora通信系统和数传电台是控制核心，Lora通信系统的天线接口SMA与天线一的IPXE接口连接。数传电台的天线接口与天线二的天线接口接口连接。Lora通信和数传电台将转动指令发送给天线三、四，天线三、四由Lora通信、数传电台传输指令，变距电机中逻辑电路控制器件驱动MS4005v3系列直流无刷电机转动，电机经过减速机带动螺旋桨机械结构转动。变距电机一体化中的包含限位开关，如果发生限位则停止驱动电机。

[0053] 本发明采用的变距电机为一体化结构，包含直流无刷电机、角度传感器和限位开关。直流无刷电机是驱动部件，角度传感器和限位开关是测量部件，三者都集中在变距电机中。Lora通信、数传电台、天线内部电子元器件众多，发生电磁干扰故障的几率远远大于电机、限位开关和传感器，因此双冗余通信系统主要是解决Lora通信、天线一、数传电台、天线二、双套天线三、四协调工作的问题。

[0054] 在双冗余通信系统中，切换单元用来监测/切换2套发射天线和2套接收天线的工作状态。切换单元由可靠性较高的单片机配合成熟的外围电路实现，通过串口与Lora通信系统、数传电台通信，根据串口通信状态向Lora通信系统和数传电台发送主、备设置指令。单片机I/O口通过中间继电器控制驱动单元的上电接触器。当Lora通信系统作为主机工作时，如果Lora通信系统检测有故障或者与切换单元的通信中断，切换单元切断驱动Lora通信系统的驱动并向数传电台系统发送主备切换指令，数传电台作为主机马上开始工作，保证通信业务不中断。

[0055] 具体地，无线数传电台4内部设置有天线接口、指示灯、复位按键(内嵌)、电源接口、电机控制信号输入口、数据通讯串口；Lora通信系统3设置有数据通讯串口、电机控制信号输入口、天线接口、状态指示灯。

[0056] 具体地，驾驶集成控制板1设置有控制器连接供电口、电机控制信号输出口、螺旋桨转速信号输入口、数据通讯串口、智能语音播报、报蜂鸣器报警等接口；显示屏5大小为4.7英寸，可在上面看到各个主要部件的运行状态，显示屏上设置有手动调节运行模式选项；其变距电机10中的直流无刷电机、传感器与驾驶集成控制板1之间均采用485通信协议。

[0057] 在RS485通信网络中，通常使用485收发器将TTL电平转换成RS485的差分信号。自动驾驶集成控制板的串口TxD发送数据，经485收发器转换成差分信号，传输到总线上。接收数据时，485收发器将总线上的差分信号转化成TTL信号由RxD到串口驾驶集成控制板。如图4中的U16为3.3V低功耗半双工收发器，采用3.3V供电，满足RS‑485和RS‑422标准。主控芯片USART的RX(PA3)和TX(PA2)，分别连接U16的RO和DI引脚，U16的A、B引脚连接接线端子。

[0058] 在接收器输出端，如果A‑B≥‑0.05V，则RO为高电平。当A‑B≤‑0.2V时，RO为低电平；如果A和B悬空或短接，RO也为高电平。U16的2脚RE为接收使能，上划线表示低电平有效，即当U16的2脚为低电平时，U16接收数据。U16的3脚DE为输出使能，高电平有效，即当U16的3脚为高电平时，U16发送数据。R10为终端匹配电阻，阻值为120Ω。

[0059] 综上，本发明采用双冗余设计方式，通过驾驶集成控制板连接Lora通信、无线数传电台两套通信系统无线信号控制变距电机。变距系统采用了无线供电技术和无线信号传输技术控制高速旋转中的变距电机，所述采用直流无刷电机为螺旋桨变距机械机构提供变桨动力，通过显示屏显示变距电机中传感器的反馈信息，可反映螺旋桨变距系统实际转动的工作状态、转速、桨距数据等信息参数。结合设定的螺旋桨特性参数来计算精确的螺距值，可将变距螺旋桨的桨距、空速、发动机功率输出进行精确匹配。

[0060] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改变和变形也应视为本发明的保护范围。