一種小型無人直升機航模的結(jié)構(gòu)設(shè)計

錢海燕

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722001

摘要：設(shè)計了一種低成本、具備一定自主飛行能力的無人直升機飛行控制系統(tǒng)，針對主要模塊進行功能設(shè)計，使該控制系統(tǒng)的運行效率最大化。

關(guān)鍵詞：自動控制無人直升機傳感器

無人直升機航模種類繁多，其結(jié)構(gòu)基本是仿照真直升機設(shè)計，無需特制的發(fā)射、回收裝置即可實現(xiàn)正常的起飛和降落，便于進行飛行測試以及在復(fù)雜飛行條件下執(zhí)行任務(wù)。常見的航模直升機，其主要部件包括機架、尾桿、起落架、頭罩、主旋翼頭、副翼、發(fā)動機、主槳、尾槳、平尾、垂尾等，再加上遙控器、接收器、舵機和陀螺儀等各種電子控制設(shè)備，一架航模直升機就完成了。

飛行控制系統(tǒng)是整個無人直升機的核心，是典型的多變量、強耦合自動控制系統(tǒng)。主處理器通過多路舵機控制著直升機的飛行狀態(tài)，同時各種位置、姿態(tài)、高度、航向等傳感器將當前的飛行狀態(tài)反饋給主處理器，主處理器再依據(jù)反饋的信息調(diào)整控制信號，控制其自主飛行。

1 十字盤的選擇

對于直升機而言，旋翼是為其提供力和力矩的主要部件，可分為主旋翼和尾旋翼。其中尾旋翼結(jié)構(gòu)相對簡單，通過改變其總力矩來控制直升機的偏航運動。而主旋翼結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，除了可以通過改變總螺距來改變升力外，還可通過改變十字盤的傾角來改變周期螺距，從而產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)和俯仰力矩。

十字盤是直升機上最關(guān)鍵的操縱機構(gòu)。傳統(tǒng)的十字盤是由單獨的馬達控制單獨的通道，結(jié)構(gòu)簡單，一個舵機控制多個動作，其缺點則是每一個控制通道的力矩只能由一個伺服承受，這也提高了對伺服器扭矩方面的要求。而CCPM（即差分螺距混合控制）十字盤的三個制動點以 120° 夾角分布于十字盤上，以舵機直接驅(qū)動十字盤，借助遙控器計算機進行混控，來完成十字盤前后、左右轉(zhuǎn)動，以及升降的動作。主旋翼總螺距（十字盤的升降）是所有舵面控制中負載最大的，由三個舵機一起等量動作才可以完成，制動力量是傳統(tǒng)十字盤的三倍；同樣的升降舵（十字盤前后翻動）也要動用三個舵機，也得到了三倍的制動力量；副翼舵（十字盤左右翻動）由兩個舵機一同動作完成，副翼舵也有兩倍的制動力量。從分析看出，使用CCPM十字盤可以大大降低舵機的負擔(dān)、提升控制精準度，所以本設(shè)計中選擇CCPM十字盤。

2 舵機的構(gòu)造

450級電動直升機上的機電設(shè)備主要有兩種——舵機和電子調(diào)速器，其中舵機主要用于控制旋翼的螺距，而電子調(diào)速器用于控制電機的轉(zhuǎn)速。這兩者雖然功能不同，但控制信號是一樣的，所以對于飛行控制系統(tǒng)而言，可以將電子調(diào)速器視為舵機。為了達到轉(zhuǎn)速快、耗電小的目標，舵機中使用的是空心杯電機。與一般的伺服電機相比，空心杯電機的轉(zhuǎn)子質(zhì)量非常小，在改變轉(zhuǎn)向時所需的電流也比較小，速度要快很多。

舵機的工作原理是由接收機發(fā)出PWM（脈寬調(diào)制）信號給舵機，控制電路判斷脈沖的寬度，再驅(qū)動空心杯電機轉(zhuǎn)動，利用減速齒輪吧動力傳到擺臀中去，并且位置檢測器需要把信號送回來，通過信號來判斷是不是到達了預(yù)定的位置。以燃油為動力無人直升機一般裝備5個舵機，4個普通舵機分別控制油門、副翼、升降舵、螺距，1個高速舵機控制尾舵。舵機一般采用PWM信號進行控制，其頻率為5060Hz，脈沖寬度以1.5ms為中心，調(diào)節(jié)范圍為，相對應(yīng)舵盤的位置為，呈線性變化。

3 A/D轉(zhuǎn)換器

STC12C5A60S2系列帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機的A/D轉(zhuǎn)換口在P1，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達250KHz。其結(jié)構(gòu)由多路選擇開關(guān)、比較器、逐次比較寄存器、10位DAC、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器以及ADC_CONTR構(gòu)成。逐次比較型ADC由一個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯，從最高位開始，順序地對每一輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進行比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對應(yīng)值。通過模擬多路開關(guān)，將通過ADC0～7的模擬量輸入比較器。用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的模擬量與本次輸入的模擬量通過比較器進行比較，把獲得的比較結(jié)果保存到逐次比較器中去，利用其進行轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，需要將最后轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器，同時置位ADC控制寄存器中的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標志位ADC_FLAG，從而給程序的查詢以及中斷申請的發(fā)出提供方便。

4 慣性測量單元（IMU）模塊的結(jié)構(gòu)

直升機的角速度、加速度等與姿態(tài)有關(guān)的信息的采集是實現(xiàn)自主飛行的必要前提，它們需要用慣性測量單元測量得到。慣性測量單元一般由三軸加速度計和三軸陀螺儀組成，三軸加速度計用來測量三個方向的線加速度，陀螺儀用來測量三個方向的角速度。

以往陀螺儀利用的是角動量守恒原理，在支架旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化的時候，轉(zhuǎn)軸指向并不會發(fā)生改變。在這次設(shè)計中，選擇的是微機械陀螺儀，利用的則是科里奧利力，也就是旋轉(zhuǎn)物體在進行有徑向運動時受到的切向力來開展工作。受到驅(qū)動，物體會不停的震蕩或者進行徑向運動，那么科里奧利力也會不斷的進行橫向變化，并且在這個過程中，可能會導(dǎo)致物體進行橫向震蕩，相位正好與驅(qū)動力差90度。MEMS陀螺儀在進行電容板移動的時候，往往有兩個方向，景象電容板和震蕩電壓能夠讓物體進行徑向運動，橫向電容板測量是因為橫向科里奧利運動導(dǎo)致的電容變化。科里奧利力和角速度是成正比的，并且電容變化能夠進行角速度的計算。選用的MEMS加速度計，采用微機電系統(tǒng)技術(shù)，具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點。

5 結(jié)語

一個完整的無人直升機飛行控制系統(tǒng)，不僅需要三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁場傳感器等傳感器來測量機身坐標系與地面坐標系之間的夾角（即飛行姿態(tài)），同時也需要GPS、對地測距儀等定位設(shè)備來確定直升機相對于地面坐標系的位置，才能實現(xiàn)自主飛行。利用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，最終提高整個系統(tǒng)的有效性。

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