吳長忠 王躍東

摘 要：隨著無人直升機技術(shù)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(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)進行了簡單研究設(shè)計，并設(shè)計了監(jiān)視系統(tǒng)，對直升機的飛機狀態(tài)進行監(jiān)控。控制部分采用了集成電路板。直升機的監(jiān)視系統(tǒng)是該次設(shè)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(diào)試工作。為日后來進行共軸式雙旋翼直升機的開發(fā)與設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：無人直升機 共軸式 雙旋翼

中圖分類號：V24 文獻(xiàn)標(biāo)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(dāng)前的國際社會和國內(nèi)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(shù)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(shè)計出能夠?qū)崿F(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(shù)落后，現(xiàn)在也已經(jīng)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(jù)采集器單片機組成，攝像頭和數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)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(jù)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(shè)計

1.1 研究意義

小型無人機在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都有著重要作用，歐美等發(fā)達(dá)國家廣泛將先進的無人機系統(tǒng)應(yīng)用在了軍事領(lǐng)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(yīng)用于經(jīng)濟建設(shè)、生態(tài)保護、國防和科研等領(lǐng)域。在附加圖像采集任務(wù)倉后，它還能進行光學(xué)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(shè)、水電站勘察設(shè)計、輸電線路建設(shè)、城市規(guī)劃、農(nóng)田水利設(shè)施、房地產(chǎn)、大型工程建設(shè)、電視拍攝等領(lǐng)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(wù)，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(lǐng)域的一個趨勢。該次設(shè)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(xiàn)，引起大家的重視，推動其發(fā)展。

1.2 直升機的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

小型無人直升機機械系統(tǒng)的設(shè)計分為旋翼系統(tǒng)、尾槳設(shè)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(gòu)連接，也是旋翼槳轂的結(jié)構(gòu)型式，不同的旋翼型式在動力學(xué)分析上也是千差萬別。旋翼的動力學(xué)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(yīng)的固有頻率，它是研究旋翼動力學(xué)問題的基礎(chǔ)與出發(fā)點，對直升機的動力學(xué)問題往往起著至關(guān)重要的作用，甚至對直升機的飛行品質(zhì)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(yīng)，而此動力響應(yīng)又反饋在氣動載荷上，形成一個氣彈耦合響應(yīng)。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(guān)，構(gòu)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(fù)合材料，使得槳葉在設(shè)計制作的時候更加精細(xì)化，更加的符合其動力學(xué)設(shè)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(dá)到0.9。

槳葉的結(jié)構(gòu)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(gòu)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(shè)計與遙控接收裝置中的電路板的設(shè)計。以單片機為核心思想來設(shè)計電路圖，其成為最主要的控制部分，其連接有轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成PWM輸出波形。

此無線遙控飛機的設(shè)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(zhuǎn)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(qū)動能力。

通過對陀螺儀芯片DATASHEEF的認(rèn)識了解，發(fā)現(xiàn)兩者驅(qū)動的功率都相對較低，因此需要加裝一級ADC驅(qū)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?zé)o人直升機是非常方便的，原因有兩點，第一，認(rèn)為的往遙控器中輸入控制信號，控制人本身根據(jù)被控制對象的運行進行相關(guān)的反饋調(diào)節(jié)，因此控制起來比較方便；第二，遙控器在調(diào)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(jié)語

該次設(shè)計對共軸式無人直升機進行了一個總體設(shè)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(shè)計；（2）小型無人遙控直升機的各個零部件的設(shè)計；（3）通過記錄的數(shù)據(jù)進行計算、分析，得出來飛機的飛行情況，然后通過數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)及其監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)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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