一种小型无人直升机航模的结构设计

钱海燕

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722001

摘要：设计了一种低成本、具备一定自主飞行能力的无人直升机飞行控制系统，针对主要模块进行功能设计，使该控制系统的运行效率最大化。

关键词：自动控制无人直升机传感器

无人直升机航模种类繁多，其结构基本是仿照真直升机设计，无需特制的发射、回收装置即可实现正常的起飞和降落，便于进行飞行测试以及在复杂飞行条件下执行任务。常见的航模直升机，其主要部件包括机架、尾杆、起落架、头罩、主旋翼头、副翼、发动机、主桨、尾桨、平尾、垂尾等，再加上遥控器、接收器、舵机和陀螺仪等各种电子控制设备，一架航模直升机就完成了。

飞行控制系统是整个无人直升机的核心，是典型的多变量、强耦合自动控制系统。主处理器通过多路舵机控制着直升机的飞行状态，同时各种位置、姿态、高度、航向等传感器将当前的飞行状态反馈给主处理器，主处理器再依据反馈的信息调整控制信号，控制其自主飞行。

1 十字盘的选择

对于直升机而言，旋翼是为其提供力和力矩的主要部件，可分为主旋翼和尾旋翼。其中尾旋翼结构相对简单，通过改变其总力矩来控制直升机的偏航运动。而主旋翼结构比较复杂，除了可以通过改变总螺距来改变升力外，还可通过改变十字盘的倾角来改变周期螺距，从而产生滚转和俯仰力矩。

十字盘是直升机上最关键的操纵机构。传统的十字盘是由单独的马达控制单独的通道，结构简单，一个舵机控制多个动作，其缺点则是每一个控制通道的力矩只能由一个伺服承受，这也提高了对伺服器扭矩方面的要求。而CCPM（即差分螺距混合控制）十字盘的三个制动点以 120° 夹角分布于十字盘上，以舵机直接驱动十字盘，借助遥控器计算机进行混控，来完成十字盘前后、左右转动，以及升降的动作。主旋翼总螺距（十字盘的升降）是所有舵面控制中负载最大的，由三个舵机一起等量动作才可以完成，制动力量是传统十字盘的三倍；同样的升降舵（十字盘前后翻动）也要动用三个舵机，也得到了三倍的制动力量；副翼舵（十字盘左右翻动）由两个舵机一同动作完成，副翼舵也有兩倍的制动力量。从分析看出，使用CCPM十字盘可以大大降低舵机的负担、提升控制精准度，所以本设计中选择CCPM十字盘。

2 舵机的构造

450级电动直升机上的机电设备主要有两种——舵机和电子调速器，其中舵机主要用于控制旋翼的螺距，而电子调速器用于控制电机的转速。这两者虽然功能不同，但控制信号是一样的，所以对于飞行控制系统而言，可以将电子调速器视为舵机。为了达到转速快、耗电小的目标，舵机中使用的是空心杯电机。与一般的伺服电机相比，空心杯电机的转子质量非常小，在改变转向时所需的电流也比较小，速度要快很多。

舵机的工作原理是由接收机发出PWM（脉宽调制）信号给舵机，控制电路判断脉冲的宽度，再驱动空心杯电机转动，利用减速齿轮吧动力传到摆臀中去，并且位置检测器需要把信号送回来，通过信号来判断是不是到达了预定的位置。以燃油为动力无人直升机一般装备5个舵机，4个普通舵机分别控制油门、副翼、升降舵、螺距，1个高速舵机控制尾舵。舵机一般采用PWM信号进行控制，其频率为5060Hz，脉冲宽度以1.5ms为中心，调节范围为，相对应舵盘的位置为，呈线性变化。

3 A/D转换器

STC12C5A60S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1，有8路10位高速A/D转换器，速度可达250KHz。其结构由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、10位DAC、转换结果寄存器以及ADC_CONTR构成。逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。通过模拟多路开关，将通过ADC0～7的模拟量输入比较器。用数/模转换器转换的模拟量与本次输入的模拟量通过比较器进行比较，把获得的比较结果保存到逐次比较器中去，利用其进行转换结果的输出。在A/D转换结束后，需要将最后转换结果保存到ADC转换结果寄存器，同时置位ADC控制寄存器中的A/D转换结束标志位ADC_FLAG，从而给程序的查询以及中断申请的发出提供方便。

4 惯性测量单元（IMU）模块的结构

直升机的角速度、加速度等与姿态有关的信息的采集是实现自主飞行的必要前提，它们需要用惯性测量单元测量得到。惯性测量单元一般由三轴加速度计和三轴陀螺仪组成，三轴加速度计用来测量三个方向的线加速度，陀螺仪用来测量三个方向的角速度。

以往陀螺仪利用的是角动量守恒原理，在支架旋转发生变化的时候，转轴指向并不会发生改变。在这次设计中，选择的是微机械陀螺仪，利用的则是科里奥利力，也就是旋转物体在进行有径向运动时受到的切向力来开展工作。受到驱动，物体会不停的震荡或者进行径向运动，那么科里奥利力也会不断的进行横向变化，并且在这个过程中，可能会导致物体进行横向震荡，相位正好与驱动力差90度。MEMS陀螺仪在进行电容板移动的时候，往往有两个方向，景象电容板和震荡电压能够让物体进行径向运动，横向电容板测量是因为横向科里奥利运动导致的电容变化。科里奥利力和角速度是成正比的，并且电容变化能够进行角速度的计算。选用的MEMS加速度计，采用微机电系统技术，具有体积小、重量轻、能耗低等优点。

5 结语

一个完整的无人直升机飞行控制系统，不仅需要三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁场传感器等传感器来测量机身坐标系与地面坐标系之间的夹角（即飞行姿态），同时也需要GPS、对地测距仪等定位设备来确定直升机相对于地面坐标系的位置，才能实现自主飞行。利用多传感器数据融合技术，最终提高整个系统的有效性。

参考文献：

[1]吕厚谊.无人机发展与无人机技术.世界科技研究与发展.

[2]黄亮.小型直升机自主飞行系统设计与实现.华南理工大学.

[3]薛安国.小型无人驾驶飞机飞行控制系统原理及设计.郑州大学.