郝旭陽(yáng) 徐金寶 曹文璟

摘 要：文章設(shè)計(jì)的微型飛行器是在A(yíng)4紙折出的紙飛機(jī)基礎(chǔ)上，按照固定翼飛行器飛行原理，搭載飛行控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行飛行的。此飛行控制機(jī)構(gòu)是以STM8微控制器為核心控制單元，614微型馬達(dá)保障飛行動(dòng)力，電磁舵機(jī)實(shí)現(xiàn)方向控制。為了使A4紙折飛行器正常飛行，采用了最優(yōu)化各個(gè)模塊的方法。通過(guò)設(shè)計(jì)制作機(jī)械結(jié)構(gòu)和對(duì)上位機(jī)以及下位機(jī)的編程，做了使用安卓手機(jī)控制飛行的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證和確定了總體設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：A4紙；微型飛機(jī)器；安卓手機(jī)；總體設(shè)計(jì)；關(guān)鍵結(jié)構(gòu)；飛行實(shí)驗(yàn)

1 概述

1.1 微型飛行器簡(jiǎn)介

微型飛行器（MAV： Micro Air Vehicle）是一種新興的航空器，被稱(chēng)為未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上重要偵察和攻擊武器。固定翼微型飛行器是微型飛行器中最常見(jiàn)的一類(lèi)MAV，機(jī)體使用A4紙折出的飛機(jī)，搭載設(shè)計(jì)出來(lái)的飛行控制機(jī)構(gòu)，不僅極具創(chuàng)新，而且飛行控制機(jī)構(gòu)可拆卸，達(dá)到反復(fù)利用的目的。

1.2 文章的研究?jī)?nèi)容

文章主要從A4紙飛機(jī)飛行的理論基礎(chǔ)及A4紙飛機(jī)機(jī)翼特殊處理方法，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)，電氣設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)四個(gè)方面對(duì)A4紙折微型飛行器作了總體設(shè)計(jì)。

2 A4紙飛機(jī)飛行的理論基礎(chǔ)及A4紙飛機(jī)機(jī)翼特殊處理方法

2.1 A4紙飛機(jī)飛行的理論基礎(chǔ)

普通固定翼飛機(jī)側(cè)剖面的上緣向上拱起，下緣基本平直。氣流吹過(guò)機(jī)翼上下表面同時(shí)到達(dá)后端，由于上緣弧度大，弧長(zhǎng)較長(zhǎng)，所以經(jīng)過(guò)上緣的氣流速度比經(jīng)過(guò)下緣的速度快。按照伯努利方程：同樣是流過(guò)某個(gè)表面的流體，速度快的對(duì)這個(gè)表面產(chǎn)生的壓強(qiáng)要小。因此可以得出機(jī)翼上表面受到的壓強(qiáng)小于下表面受到的壓強(qiáng)，這樣一來(lái)就產(chǎn)生了升力。由于A(yíng)4紙飛機(jī)的速度較小，暫不考慮低雷諾數(shù)。

2.2 機(jī)翼特殊處理

將上述普通固定翼飛機(jī)的飛行原理應(yīng)用于此飛行器：用剪刀將A4紙折出來(lái)的紙飛機(jī)機(jī)翼后部剪成兩段向上翹起的結(jié)構(gòu)，此時(shí)給紙飛機(jī)一個(gè)向前的推力，紙飛機(jī)便有升空的趨向。

3 微型飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)

3.1 支架

根據(jù)A4紙折飛機(jī)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了固定支架，前端搭載電路板及微型電池，后端安裝電磁舵，微型馬達(dá)及螺旋槳，將此支架夾在A(yíng)4紙折飛機(jī)的前端。

3.2 馬達(dá)

采用614空心杯電機(jī)，其轉(zhuǎn)速高，供電3.7V時(shí)轉(zhuǎn)速可達(dá)55000r/min，長(zhǎng)度14mm，直徑6mm，軸長(zhǎng)4mm，軸徑0.75mm，重約2g。

3.3 螺旋槳

螺旋槳參數(shù)為：直徑46mm，孔徑1mm

3.4 電磁舵機(jī)

控制舵機(jī)在飛行器和航行器的控制中發(fā)揮著重要的作用，最為典型的用途當(dāng)屬潛行器和航行器的方向舵和升降舵。通過(guò)近似計(jì)算和參數(shù)整定以及若干次實(shí)驗(yàn)，最終采用了如下參數(shù)的電磁舵為方向舵：重量0.5g，搖臂孔徑0.6mm，線(xiàn)圈阻值約60歐姆，4V工作時(shí)電流80mA。

3.5 電池

為減輕重量，選用了蓄電量為75mah的聚合物鋰電池，尺寸17mm*15mm*6.5mm，重量為0.0025g。

4 電氣設(shè)計(jì)

4.1 主控及其下載電路

采用STM8S103F3P6作為主控制器，該單片機(jī)CPU最高速度16MHZ，EEPROM 128B，擁有16個(gè)I/O，串行接口有SPI、I2C、UART，最低功耗模式為5UA，電源電壓范圍2.95～5.5V，F(xiàn)LASH 8KB，RAM 1KB，工作溫度范圍-40～+85℃。由于需要若干次調(diào)試，所以設(shè)計(jì)了帶有USB MICRO的下載電路方便程序的下載，可以用安卓數(shù)據(jù)線(xiàn)進(jìn)行下載，同時(shí)可以使用5V電源給電池充電。

4.2 電源

由于微型電池電壓為3.7V，可以直接供給主控和驅(qū)動(dòng)電路，但是供給藍(lán)牙時(shí)，需加一個(gè)降壓二極管。

4.3 藍(lán)牙

使用HC06藍(lán)牙2.0進(jìn)行手機(jī)與紙飛機(jī)的通信，藍(lán)牙2.0傳輸率約在1.8M/s～2.1M/s范圍內(nèi)，有雙工的工作方式。藍(lán)牙參數(shù)：低電壓3.3V工作（3.1V-3.7V）不大于50MA，與手機(jī)通信距離可達(dá)20M。

4.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

使用SI2302增強(qiáng)型N溝道MOS，最大可過(guò)2.5A電流。漏極和源極之間有一個(gè)寄生二極管，在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（如馬達(dá)），這個(gè)二極管很重要。根據(jù)NMOS的特性，VGS大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適用于源極接地的情況（低端驅(qū)動(dòng)），柵極電壓達(dá)到3V或10V。STM8產(chǎn)生PWM波輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓控制馬達(dá)，使得可以控制安卓手機(jī)油門(mén)的高低決定馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。

4.5 電磁舵機(jī)的控制電路

由于電磁舵機(jī)的電流較小，且工作電壓為3V-5V，所以使用STM8的普通IO口輸出高低電平直接控制電磁舵。

4.6 電路板制作參數(shù)選取

由于要求電路板重量小，電路板大小為1.9cm*1.7cm，板子厚度為0.6mm，電路板制作出來(lái)重量為1g。

5 程序

遙控器使用安卓手機(jī)，極大的減輕了制作遙控器硬件系統(tǒng)的工作，而且攜帶方便，上位機(jī)使用Java編程語(yǔ)言，控制通道包括油門(mén)和方向。單片機(jī)端程序使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，根據(jù)串口接收的數(shù)據(jù)（即遙控器所發(fā)送的控制指令），對(duì)電機(jī)和電磁舵進(jìn)行控制。程序包括串口波特率設(shè)定（與藍(lán)牙波特率一致），PWM參數(shù)設(shè)定，IO口初始化，串口數(shù)據(jù)收發(fā)。

6 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

南京工程學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院成功研制了A4紙折微型飛行器，可在室內(nèi)進(jìn)行控制飛行，這一成果充分的表明了文章論述的正確性。A4紙折微型飛行器的設(shè)計(jì)制作是一項(xiàng)具有重要應(yīng)用價(jià)值的工作。文章主要敘述了對(duì)A4紙折微型飛行器機(jī)翼特殊處理、 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作、 電氣設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等研究工作，為微小尺寸飛行器的制作貢獻(xiàn)瘠薄之力。

文章主要完成了以下重要的工作：（1）設(shè)計(jì)了電動(dòng)A4紙折微型飛行器能夠飛行的機(jī)翼；（2）完成了A4紙折微型飛行器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；（3）完成了主控及下載電路、電源電路、藍(lán)牙電路、驅(qū)動(dòng)電路、電磁舵控制電路的設(shè)計(jì)；（4）完成了安卓手機(jī)遙控以及單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)。

6.2 未來(lái)的工作

文章基本完成了A4紙折微型飛行器總體方案的設(shè)計(jì)與實(shí)際制作。但是，要使微型飛行器設(shè)計(jì)進(jìn)入有應(yīng)用價(jià)值的階段， 還有很多工作要做：電池續(xù)航能力的提升，微型攝像頭的安裝與圖像的傳回，抗風(fēng)性能的提升。繼續(xù)深入研究飛機(jī)飛行穩(wěn)定性時(shí)則需進(jìn)行細(xì)致的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介：郝旭陽(yáng)（1992-），男，江蘇徐州，本科，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

徐金寶（1970-），男，江蘇南京，副教授，研究方向：軟件工程。

曹文 （1995-），女，江蘇南通，本科，研究方向：自動(dòng)化。