小型无人直升机结构控制系统及其监视系统的设计

吴长忠 王跃东

摘 要：随着无人直升机技术的不断发展，直升机的研究越来越受到各个国家的重视，世界各国都对直升机研究加大了投入，我国现阶段对直升机的研究投入正在加大，但仍处于落后的状态，尤其是共轴式双旋翼直升机现在处于半空白状态，对共轴式双旋翼的旋翼桨叶、轴、减速器等的研究需要更深入一些。该文对共轴式双旋翼直升机的结构及其控制系统进行了简单研究设计，并设计了监视系统，对直升机的飞机状态进行监控。控制部分采用了集成电路板。直升机的监视系统是该次设计的一个创新点，通过监视系统能更好地完成直升机制作成功后的调试工作。为日后来进行共轴式双旋翼直升机的开发与设计奠定了基础。

关键词：无人直升机 共轴式 双旋翼

中图分类号：V24 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）03（c）-0016-02

中小型尤其是小型无人机在当前的国际社会和国内社会都比较受追捧，我国无人机的发展也备受重视，目前国家通过大量的资金和技术的投入，使得无人机的发展进入到了高速上升期。研究无人机，主要是设计出能够实现自主飞行的无人机，针对那些通过遥控来飞行的无人机，由于技术落后，现在也已经迈入了江河日下的层面。共轴双桨直升机的研究是目前直升机发展的一个趋势，各个国家现在都非常重视这方面的研究。

无人遥控直升机具有操纵难度较大、飞行姿态不够平稳、遥控距离较近等问题。共轴直升机由于只有解决了上述问题，此类型直升机才能真正投入使用目前的无人机直升机系统，通过安装无线监控系统来对其他需要被监测的来进行侦查，因此这个系统主要是由摄像头、数据采集器单片机组成，摄像头和数据采集器采集的数据通过单片机处理后储存下来。通过监视系统工作人员能更加直观且清晰的知道直升机的飞行状态，获得实时数据并为操作的人员的控制提供了极大帮助。

1 直升机的总体设计

1.1 研究意义

小型无人机在军事领域和民用领域都有着重要作用，欧美等发达国家广泛将先进的无人机系统应用在了军事领域，并且取得了一系列可喜的成绩，小型无人机能够短距离起降，因此能够在任意不同的地形进行起飞，凭借小机身和灵活的起降，可以广泛应用于经济建设、生态保护、国防和科研等领域。在附加图像采集任务仓后，它还能进行光学观察、通信中继和遥感遥测，可以航空摄影、地形测绘、公路铁路建设、水电站勘察设计、输电线路建设、城市规划、农田水利设施、房地产、大型工程建设、电视拍摄等领域发挥积极作用，特别是军事上，可以执行侦察、火炮校射、安全防卫、靶机、反恐等任务，具有极高价值。共轴直升机又在很多方面有着绝对的优势，其研究价值不言而喻，可以说共轴直升机是直升机研究领域的一个趋势。该次设计旨在为小型共轴无人直升机的发展做出力所能及的贡献，引起大家的重视，推动其发展。

1.2 直升机的整体结构设计

小型无人直升机机械系统的设计分为旋翼系统、尾桨设计、传动系统、起落装置几部分。

旋翼型式是指旋翼桨片与旋翼轴之间的架构连接，也是旋翼桨毂的结构型式，不同的旋翼型式在动力学分析上也是千差万别。旋翼的动力学特性主要指旋翼桨叶的模态特性，即固有的振型以及对应的固有频率，它是研究旋翼动力学问题的基础与出发点，对直升机的动力学问题往往起着至关重要的作用，甚至对直升机的飞行品质也有重要的影响。在各次谐波气动的载荷的作用下，就会形成的桨叶相同频率各个模态的动力响应，而此动力响应又反馈在气动载荷上，形成一个气弹耦合响应。动力稳定性是指两个不同运动系统之间耦合，相互的影响。旋翼的动力稳定性都和空气动力的作用有关，构成气动的弹性稳定性。

无人机使用的旋翼桨叶，由于其使用了复合材料，使得桨叶在设计制作的时候更加精细化，更加的符合其动力学设计，同时，桨叶的外形也得到了改善，桨叶在运行过程中的性能也得到增强，在无人机运行过程中桨叶的振动和桨叶发出的噪音也大幅下降，在优化后的统计中显示，其悬停效率可以达到0.9。

桨叶的结构参数主要包含其主要的零部件比如大梁等的机械类大小和尺度，同时也包括其沿半径的分布，桨叶的参数受很多因素的影响，其重心的位置，桨叶的形状和刚度等等都是其主要影响因子。

小型无人机的传动系统主要都是由主减速器；主减输入轴；发动机；尾传动轴；尾减速器；尾斜轴；中间减速器等部分组成。目前最主要的旋翼构造型式有以下几种：铰接、半铰接和无铰接式旋翼。

2 直升机的控制部分

直升机控制系统的开发，主要是直升机控制电路及接收电路的设计与遥控接收装置中的电路板的设计。以单片机为核心思想来设计电路图，其成为最主要的控制部分，其连接有转换装置、加速度传感器电路和陀螺仪传感器电路。每一个板块的连接都依靠DSP的I/O来完成操作，将遥控装置发出的回收的信号进行收集整理，并反馈至DSP，DSP做下一步处理，再将不同类型的信号传输到遥控器显示出来，与此同时，再控制不同的电机正常的运行，这主要依靠控制信号转化成PWM输出波形。

此无线遥控飞机的设计里涉及到但中信号采集；陀螺仪信号；PS信号。因为这两种信号都是普通的输入，所以接口采用的普通接插件。

但是值得注意的是，虽然单片机提供了ADC转换的接口，但需了解它自身的ADC是十位精度的，采用的是单片机自带的ADC，在选用之前，首先要考虑的是精度是否能够满足需要的问题，对采集而言，精度要求没有那么高，而且采集电压范围也不是很大，所以需要考虑信号驱动能力。

通过对陀螺仪芯片DATASHEEF的认识了解，发现两者驱动的功率都相对较低，因此需要加装一级ADC驱动电路，这类电路主要是为了确保在能够补偿信号在输送过程中的递减。

在该系统里面有两种控制信号：第一种是遥控器的输出信号，位于遥控器里的通信电路将信号发送到单片机，这里所讲的信号主要是最无人直升机电机的控制信号，使用遥控器来遥控无人直升机是非常方便的，原因有两点，第一，认为的往遥控器中输入控制信号，控制人本身根据被控制对象的运行进行相关的反馈调节，因此控制起来比较方便；第二，遥控器在调试过程中可靠性较好，信号稳定。

另一种信号是向直升机发送新的指令，发送的指令传入单片机处理后对电机进行控制。和上面遥控器控制不一样的是，给直升机的不是直接信号，相反却是一种命令的集合，然后由单片机算成类似遥控器的控制信号。

3 结语

该次设计对共轴式无人直升机进行了一个总体设计，该课题主要完成了以下的研究：（1）小型无人遥控直升机的选型与整体设计；（2）小型无人遥控直升机的各个零部件的设计；（3）通过记录的数据进行计算、分析，得出来飞机的飞行情况，然后通过数据整理与思考来对直升机进行改进与研究；（4）通过对小型无人直升机结构、控制系统及其监视系统的设计与研究，深入思考，确定今后小型无人机的个人研究方向。

参考文献

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