小型無人直升機結構控制系統(tǒng)及其監(jiān)視系統(tǒng)的設計

吳長忠 王躍東

摘 要：隨著無人直升機技術的不斷發(fā)展，直升機的研究越來越受到各個國家的重視，世界各國都對直升機研究加大了投入，我國現(xiàn)階段對直升機的研究投入正在加大，但仍處于落后的狀態(tài)，尤其是共軸式雙旋翼直升機現(xiàn)在處于半空白狀態(tài)，對共軸式雙旋翼的旋翼槳葉、軸、減速器等的研究需要更深入一些。該文對共軸式雙旋翼直升機的結構及其控制系統(tǒng)進行了簡單研究設計，并設計了監(jiān)視系統(tǒng)，對直升機的飛機狀態(tài)進行監(jiān)控?？刂撇糠植捎昧思呻娐钒濉Ｖ鄙龣C的監(jiān)視系統(tǒng)是該次設計的一個創(chuàng)新點，通過監(jiān)視系統(tǒng)能更好地完成直升機制作成功后的調試工作。為日后來進行共軸式雙旋翼直升機的開發(fā)與設計奠定了基礎。

關鍵詞：無人直升機 共軸式 雙旋翼

中圖分類號：V24 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（c）-0016-02

中小型尤其是小型無人機在當前的國際社會和國內社會都比較受追捧，我國無人機的發(fā)展也備受重視，目前國家通過大量的資金和技術的投入，使得無人機的發(fā)展進入到了高速上升期。研究無人機，主要是設計出能夠實現(xiàn)自主飛行的無人機，針對那些通過遙控來飛行的無人機，由于技術落后，現(xiàn)在也已經邁入了江河日下的層面。共軸雙槳直升機的研究是目前直升機發(fā)展的一個趨勢，各個國家現(xiàn)在都非常重視這方面的研究。

無人遙控直升機具有操縱難度較大、飛行姿態(tài)不夠平穩(wěn)、遙控距離較近等問題。共軸直升機由于只有解決了上述問題，此類型直升機才能真正投入使用目前的無人機直升機系統(tǒng)，通過安裝無線監(jiān)控系統(tǒng)來對其他需要被監(jiān)測的來進行偵查，因此這個系統(tǒng)主要是由攝像頭、數(shù)據采集器單片機組成，攝像頭和數(shù)據采集器采集的數(shù)據通過單片機處理后儲存下來。通過監(jiān)視系統(tǒng)工作人員能更加直觀且清晰的知道直升機的飛行狀態(tài)，獲得實時數(shù)據并為操作的人員的控制提供了極大幫助。

1 直升機的總體設計

1.1 研究意義

小型無人機在軍事領域和民用領域都有著重要作用，歐美等發(fā)達國家廣泛將先進的無人機系統(tǒng)應用在了軍事領域，并且取得了一系列可喜的成績，小型無人機能夠短距離起降，因此能夠在任意不同的地形進行起飛，憑借小機身和靈活的起降，可以廣泛應用于經濟建設、生態(tài)保護、國防和科研等領域。在附加圖像采集任務倉后，它還能進行光學觀察、通信中繼和遙感遙測，可以航空攝影、地形測繪、公路鐵路建設、水電站勘察設計、輸電線路建設、城市規(guī)劃、農田水利設施、房地產、大型工程建設、電視拍攝等領域發(fā)揮積極作用，特別是軍事上，可以執(zhí)行偵察、火炮校射、安全防衛(wèi)、靶機、反恐等任務，具有極高價值。共軸直升機又在很多方面有著絕對的優(yōu)勢，其研究價值不言而喻，可以說共軸直升機是直升機研究領域的一個趨勢。該次設計旨在為小型共軸無人直升機的發(fā)展做出力所能及的貢獻，引起大家的重視，推動其發(fā)展。

1.2 直升機的整體結構設計

小型無人直升機機械系統(tǒng)的設計分為旋翼系統(tǒng)、尾槳設計、傳動系統(tǒng)、起落裝置幾部分。

旋翼型式是指旋翼槳片與旋翼軸之間的架構連接，也是旋翼槳轂的結構型式，不同的旋翼型式在動力學分析上也是千差萬別。旋翼的動力學特性主要指旋翼槳葉的模態(tài)特性，即固有的振型以及對應的固有頻率，它是研究旋翼動力學問題的基礎與出發(fā)點，對直升機的動力學問題往往起著至關重要的作用，甚至對直升機的飛行品質也有重要的影響。在各次諧波氣動的載荷的作用下，就會形成的槳葉相同頻率各個模態(tài)的動力響應，而此動力響應又反饋在氣動載荷上，形成一個氣彈耦合響應。動力穩(wěn)定性是指兩個不同運動系統(tǒng)之間耦合，相互的影響。旋翼的動力穩(wěn)定性都和空氣動力的作用有關，構成氣動的彈性穩(wěn)定性。

無人機使用的旋翼槳葉，由于其使用了復合材料，使得槳葉在設計制作的時候更加精細化，更加的符合其動力學設計，同時，槳葉的外形也得到了改善，槳葉在運行過程中的性能也得到增強，在無人機運行過程中槳葉的振動和槳葉發(fā)出的噪音也大幅下降，在優(yōu)化后的統(tǒng)計中顯示，其懸停效率可以達到0.9。

槳葉的結構參數(shù)主要包含其主要的零部件比如大梁等的機械類大小和尺度，同時也包括其沿半徑的分布，槳葉的參數(shù)受很多因素的影響，其重心的位置，槳葉的形狀和剛度等等都是其主要影響因子。

小型無人機的傳動系統(tǒng)主要都是由主減速器；主減輸入軸；發(fā)動機；尾傳動軸；尾減速器；尾斜軸；中間減速器等部分組成。目前最主要的旋翼構造型式有以下幾種：鉸接、半鉸接和無鉸接式旋翼。

2 直升機的控制部分

直升機控制系統(tǒng)的開發(fā)，主要是直升機控制電路及接收電路的設計與遙控接收裝置中的電路板的設計。以單片機為核心思想來設計電路圖，其成為最主要的控制部分，其連接有轉換裝置、加速度傳感器電路和陀螺儀傳感器電路。每一個板塊的連接都依靠DSP的I/O來完成操作，將遙控裝置發(fā)出的回收的信號進行收集整理，并反饋至DSP，DSP做下一步處理，再將不同類型的信號傳輸?shù)竭b控器顯示出來，與此同時，再控制不同的電機正常的運行，這主要依靠控制信號轉化成PWM輸出波形。

此無線遙控飛機的設計里涉及到但中信號采集；陀螺儀信號；PS信號。因為這兩種信號都是普通的輸入，所以接口采用的普通接插件。

但是值得注意的是，雖然單片機提供了ADC轉換的接口，但需了解它自身的ADC是十位精度的，采用的是單片機自帶的ADC，在選用之前，首先要考慮的是精度是否能夠滿足需要的問題，對采集而言，精度要求沒有那么高，而且采集電壓范圍也不是很大，所以需要考慮信號驅動能力。

通過對陀螺儀芯片DATASHEEF的認識了解，發(fā)現(xiàn)兩者驅動的功率都相對較低，因此需要加裝一級ADC驅動電路，這類電路主要是為了確保在能夠補償信號在輸送過程中的遞減。

在該系統(tǒng)里面有兩種控制信號：第一種是遙控器的輸出信號，位于遙控器里的通信電路將信號發(fā)送到單片機，這里所講的信號主要是最無人直升機電機的控制信號，使用遙控器來遙控無人直升機是非常方便的，原因有兩點，第一，認為的往遙控器中輸入控制信號，控制人本身根據被控制對象的運行進行相關的反饋調節(jié)，因此控制起來比較方便；第二，遙控器在調試過程中可靠性較好，信號穩(wěn)定。

另一種信號是向直升機發(fā)送新的指令，發(fā)送的指令傳入單片機處理后對電機進行控制。和上面遙控器控制不一樣的是，給直升機的不是直接信號，相反卻是一種命令的集合，然后由單片機算成類似遙控器的控制信號。

3 結語

該次設計對共軸式無人直升機進行了一個總體設計，該課題主要完成了以下的研究：（1）小型無人遙控直升機的選型與整體設計；（2）小型無人遙控直升機的各個零部件的設計；（3）通過記錄的數(shù)據進行計算、分析，得出來飛機的飛行情況，然后通過數(shù)據整理與思考來對直升機進行改進與研究；（4）通過對小型無人直升機結構、控制系統(tǒng)及其監(jiān)視系統(tǒng)的設計與研究，深入思考，確定今后小型無人機的個人研究方向。

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