一種傾轉旋翼固定翼無人機的設計

文/趙旭

自從2015年國內工業級無人機市場出現了復合翼構型的垂直起降固定翼機型以來，固定翼垂直起降發展非常迅速。這種復合翼構型的固定翼兼顧了固定翼和多旋翼的優點，動力系統分別獨立。復合翼構型的主要載體多采用常規布局固定翼，即水平尾翼在主翼之后，水平尾翼上有垂直尾翼，四旋翼的動力系統安裝在主翼上。垂直起降靠四旋翼動力系統垂直上升或降落，達到一定高度后切換到固定翼動力系統平飛，這種復合翼構型的飛行平臺具備多旋翼的靈活機動性和固定翼的長航時作業面積大等優點，在航拍航測、電力巡檢、地質勘探、應急救援等場合有較好的應用。

由于工作效率過低和成本過高，本設計提出一種三旋翼的固定翼垂直起降無人機，其中多旋翼的動力系統為Y型拓撲結構的三旋翼，前端兩個旋翼動力為多旋翼動力系統和固定翼動力系統共用，在飛行切換過程中由傾轉旋翼進行過渡。復合翼構型的載機采用常規布局V型尾翼的固定翼，具有更好的穩定性。

1 傾轉旋翼固定翼無人機的工作原理

從結構上來看，本設計提出的三旋翼可傾轉旋翼固定翼無人機可以分為三部分，分別為V型尾翼固定翼載機、三旋翼動力系統、傾轉機構。如果只從固定翼載機來看，它可以看成一個V型尾翼、常規布局、雙發動力的固定翼載機。其中雙發動力系統分別在主翼的兩側，動力組成部分的無刷電機安裝在傾轉機構上，當傾轉機構將電機旋轉至豎直向上時，與在固定翼載機腰部的旋翼動力系統構成三旋翼。這樣，旋翼動力系統和固定翼動力系統就有兩個動力是共用的，降低了飛行器重量和成本。

從操控過程可以分解成三部分，分別為三旋翼垂直起降、懸停和空間六自由度低速位移、固定翼長航時高速巡航、三旋翼和固定翼操控之間過渡階段。假設本設計的三旋翼可傾轉旋翼固定翼無人機是一鋼體，忽略其在飛行過程中發生的彈性形變，在定義慣性坐標系和建立動力模型分析，可以有效的分析懸停控制和操控模式轉換，本設計主要從硬件設計、操控模式過渡轉換的策略進行分析。

2 無人機硬件設計

三旋翼可傾轉旋翼固定翼無人機的硬件主要分成飛行控制系統、傳感器接口電路、傾轉機構、GNSS模塊、電子調速器、無刷電機、無線數據傳輸模塊、無線圖像傳輸模塊、遙控接收機等組成，如果載機攜帶高清圖像采集設備，還需配備紅外觸發裝置。

2.1 飛行控制系統

飛行控制系統主要基于開源飛行控制系統（以下簡稱飛控）Pixhawk開發，它是早期的PX4FMU和PX4IO整合而來，采用MAVLink通信協議，內部運行的核心庫采用方向余弦矩陣方法（DCM）或擴展卡爾曼濾波器（EKF）來預估飛行器姿態進行控制。Pixhawk內部資源和接口非常豐富，主控制核心采用意法半導體（ST）的STM32F427VIT6，飛控支持各類擴展，如光流、聲吶、空速、GPS等。

2.2 傳感器接口電路

傳感器接口電路包含一個IMU傳感器電路，采用ICM20689和IST8310羅盤芯片，以及一個MS5611氣壓傳感器來獲取飛行器的姿態。這部分采用Pixhawk基本的硬件配置，這里就不在文中過多介紹，需要注意的是，因為三旋翼和固定翼在傳感器配置上不同的是，固定翼需要一個特殊的空速傳感器，所以本設計中需要給飛行平臺加裝一個空速傳感器；為了保證傾轉機構順利的完成傾轉，構成一個反饋，需要在傾轉機構上安裝傾角傳感器，實時獲取傾轉機構的姿態，保證轉換可靠完成。

為了和pixhawk飛行控制系統匹配，本設計采用MS4525DO數字壓力傳感器作為空速傳感器，MS4525DO可輸出14位數字信號，采用SPI或者I2C協議，在本設計中為了和pixhawk匹配，采用I2C協議通信，需要注意的是，由于早期的APM是不支持數字壓力傳感器的，所以采用APM刷寫固件只能使用模擬壓力傳感器。MS4525DO輸出精度較高，可到線性/絕對精度：0.25%/1%總誤差，工作溫度在-25℃至105℃，為了保證其可靠工作，需要對空速傳感器獨立供電，供電電壓5V。

3 軟件控制系統設計

在pixhawk調參過程中，需要對垂直起降的參數進行調試，特別是三旋翼傾轉旋翼改出后轉換成固定翼時過渡階段的參數。其中比較重要的參數如VT_ARSP_BLEND、VT_ARSP_TRANS、VT_B_TRANS_DUR、VT_FW_PERM_STAB等，其中VT_ARSP_BLEND表示當三旋翼轉換成固定翼過程中，空速達到了該設置參數，那么三旋翼的控制比重開始慢慢減少，這個權重決定是否從三旋翼切換到固定翼狀態；VT_FW_PERM_STAB表示固定翼自穩，如果在三旋翼模式下，固定翼的各個控制舵面會根據姿態變化自動調節，使固定翼保持穩定狀態。其他參數VT_TRANS_TIMEOUT表示轉換時間超時后立刻切換回三旋翼、VT_ARSP_TRANS表示空速有效，進入固定翼模式。

在/src/modules/vtol_att_control/文件夾中包含 vtol_att_control_main、vtol_type、standard/tailsitter/tiltrotor等文件，在本設計中，主要分析vtol_att_control_main這個函數，從流程上可以分為三個階段，第一個階段是接收并更新數據；第二個階段進入起飛階段；第三個階段開始進入任務循環檢查更新參數并進行輪詢。其中_vtol_type->update_mc_state();和_vtol_type->update_fw_state();及_vtol_type->update_transition_state();都是計算轉換的姿態期望值。

4 總結

本文主要介紹了一種傾轉旋翼的固定翼無人機垂直起降的軟硬件設計，該無人機在吉林化工學院雙吉校區進行試飛后表現良好，達到了預期的要求，適合對起飛地形要求較為嚴格且需要長航時的無人測繪載機。