吳長(zhǎng)忠 王躍東

摘 要：隨著無(wú)人直升機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，直升機(jī)的研究越來(lái)越受到各個(gè)國(guó)家的重視，世界各國(guó)都對(duì)直升機(jī)研究加大了投入，我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)直升機(jī)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(jī)現(xiàn)在處于半空白狀態(tài)，對(duì)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(duì)共軸式雙旋翼直升機(jī)的結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單研究設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了監(jiān)視系統(tǒng)，對(duì)直升機(jī)的飛機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控?？刂撇糠植捎昧思呻娐钒?。直升機(jī)的監(jiān)視系統(tǒng)是該次設(shè)計(jì)的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)視系統(tǒng)能更好地完成直升機(jī)制作成功后的調(diào)試工作。為日后來(lái)進(jìn)行共軸式雙旋翼直升機(jī)的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人直升機(jī) 共軸式 雙旋翼

中圖分類號(hào)：V24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）03（c）-0016-02

中小型尤其是小型無(wú)人機(jī)在當(dāng)前的國(guó)際社會(huì)和國(guó)內(nèi)社會(huì)都比較受追捧，我國(guó)無(wú)人機(jī)的發(fā)展也備受重視，目前國(guó)家通過(guò)大量的資金和技術(shù)的投入，使得無(wú)人機(jī)的發(fā)展進(jìn)入到了高速上升期。研究無(wú)人機(jī)，主要是設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)自主飛行的無(wú)人機(jī)，針對(duì)那些通過(guò)遙控來(lái)飛行的無(wú)人機(jī)，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(jī)的研究是目前直升機(jī)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，各個(gè)國(guó)家現(xiàn)在都非常重視這方面的研究。

無(wú)人遙控直升機(jī)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(wèn)題。共軸直升機(jī)由于只有解決了上述問(wèn)題，此類型直升機(jī)才能真正投入使用目前的無(wú)人機(jī)直升機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)安裝無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)對(duì)其他需要被監(jiān)測(cè)的來(lái)進(jìn)行偵查，因此這個(gè)系統(tǒng)主要是由攝像頭、數(shù)據(jù)采集器單片機(jī)組成，攝像頭和數(shù)據(jù)采集器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)處理后儲(chǔ)存下來(lái)。通過(guò)監(jiān)視系統(tǒng)工作人員能更加直觀且清晰的知道直升機(jī)的飛行狀態(tài)，獲得實(shí)時(shí)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(jī)的總體設(shè)計(jì)

1.1 研究意義

小型無(wú)人機(jī)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(guó)家廣泛將先進(jìn)的無(wú)人機(jī)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(jī)，小型無(wú)人機(jī)能夠短距離起降，因此能夠在任意不同的地形進(jìn)行起飛，憑借小機(jī)身和靈活的起降，可以廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)、生態(tài)保護(hù)、國(guó)防和科研等領(lǐng)域。在附加圖像采集任務(wù)倉(cāng)后，它還能進(jìn)行光學(xué)觀察、通信中繼和遙感遙測(cè)，可以航空攝影、地形測(cè)繪、公路鐵路建設(shè)、水電站勘察設(shè)計(jì)、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(jī)、反恐等任務(wù)，具有極高價(jià)值。共軸直升機(jī)又在很多方面有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，其研究?jī)r(jià)值不言而喻，可以說(shuō)共軸直升機(jī)是直升機(jī)研究領(lǐng)域的一個(gè)趨勢(shì)。該次設(shè)計(jì)旨在為小型共軸無(wú)人直升機(jī)的發(fā)展做出力所能及的貢獻(xiàn)，引起大家的重視，推動(dòng)其發(fā)展。

1.2 直升機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型無(wú)人直升機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為旋翼系統(tǒng)、尾槳設(shè)計(jì)、傳動(dòng)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(dòng)力學(xué)分析上也是千差萬(wàn)別。旋翼的動(dòng)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(duì)應(yīng)的固有頻率，它是研究旋翼動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)與出發(fā)點(diǎn)，對(duì)直升機(jī)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題往往起著至關(guān)重要的作用，甚至對(duì)直升機(jī)的飛行品質(zhì)也有重要的影響。在各次諧波氣動(dòng)的載荷的作用下，就會(huì)形成的槳葉相同頻率各個(gè)模態(tài)的動(dòng)力響應(yīng)，而此動(dòng)力響應(yīng)又反饋在氣動(dòng)載荷上，形成一個(gè)氣彈耦合響應(yīng)。動(dòng)力穩(wěn)定性是指兩個(gè)不同運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)之間耦合，相互的影響。旋翼的動(dòng)力穩(wěn)定性都和空氣動(dòng)力的作用有關(guān)，構(gòu)成氣動(dòng)的彈性穩(wěn)定性。

無(wú)人機(jī)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(jì)制作的時(shí)候更加精細(xì)化，更加的符合其動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，同時(shí)，槳葉的外形也得到了改善，槳葉在運(yùn)行過(guò)程中的性能也得到增強(qiáng)，在無(wú)人機(jī)運(yùn)行過(guò)程中槳葉的振動(dòng)和槳葉發(fā)出的噪音也大幅下降，在優(yōu)化后的統(tǒng)計(jì)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(jī)械類大小和尺度，同時(shí)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(wú)人機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)主要都是由主減速器；主減輸入軸；發(fā)動(dòng)機(jī)；尾傳動(dòng)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(wú)鉸接式旋翼。

2 直升機(jī)的控制部分

直升機(jī)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，主要是直升機(jī)控制電路及接收電路的設(shè)計(jì)與遙控接收裝置中的電路板的設(shè)計(jì)。以單片機(jī)為核心思想來(lái)設(shè)計(jì)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(gè)板塊的連接都依靠DSP的I/O來(lái)完成操作，將遙控裝置發(fā)出的回收的信號(hào)進(jìn)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(hào)傳輸?shù)竭b控器顯示出來(lái)，與此同時(shí)，再控制不同的電機(jī)正常的運(yùn)行，這主要依靠控制信號(hào)轉(zhuǎn)化成PWM輸出波形。

此無(wú)線遙控飛機(jī)的設(shè)計(jì)里涉及到但中信號(hào)采集；陀螺儀信號(hào)；PS信號(hào)。因?yàn)檫@兩種信號(hào)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(jī)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(jī)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(wèn)題，對(duì)采集而言，精度要求沒(méi)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(hào)驅(qū)動(dòng)能力。

通過(guò)對(duì)陀螺儀芯片DATASHEEF的認(rèn)識(shí)了解，發(fā)現(xiàn)兩者驅(qū)動(dòng)的功率都相對(duì)較低，因此需要加裝一級(jí)ADC驅(qū)動(dòng)電路，這類電路主要是為了確保在能夠補(bǔ)償信號(hào)在輸送過(guò)程中的遞減。

在該系統(tǒng)里面有兩種控制信號(hào)：第一種是遙控器的輸出信號(hào)，位于遙控器里的通信電路將信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)，這里所講的信號(hào)主要是最無(wú)人直升機(jī)電機(jī)的控制信號(hào)，使用遙控器來(lái)遙控?zé)o人直升機(jī)是非常方便的，原因有兩點(diǎn)，第一，認(rèn)為的往遙控器中輸入控制信號(hào)，控制人本身根據(jù)被控制對(duì)象的運(yùn)行進(jìn)行相關(guān)的反饋調(diào)節(jié)，因此控制起來(lái)比較方便；第二，遙控器在調(diào)試過(guò)程中可靠性較好，信號(hào)穩(wěn)定。

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

3 結(jié)語(yǔ)

該次設(shè)計(jì)對(duì)共軸式無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行了一個(gè)總體設(shè)計(jì)，該課題主要完成了以下的研究：（1）小型無(wú)人遙控直升機(jī)的選型與整體設(shè)計(jì)；（2）小型無(wú)人遙控直升機(jī)的各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)；（3）通過(guò)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析，得出來(lái)飛機(jī)的飛行情況，然后通過(guò)數(shù)據(jù)整理與思考來(lái)對(duì)直升機(jī)進(jìn)行改進(jìn)與研究；（4）通過(guò)對(duì)小型無(wú)人直升機(jī)結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)及其監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，深入思考，確定今后小型無(wú)人機(jī)的個(gè)人研究方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 陶表達(dá).多功能遙控直升機(jī)創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)[J].湖北第二師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，28（2）：107-108.

[2] 苑嚴(yán)偉，張小超，毛文華，等.超低空無(wú)人飛行器虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（6）：148-151.

[3] 徐偉，周欣，胡詩(shī)未.飛行器的短期沖突檢測(cè)仿真系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2011，28（10）：35-38.

[4] 朱文淵，李元祥，馬進(jìn)，等.飛機(jī)環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)的數(shù)字仿真[J].電光與控制，2011，18（9）：35-38.