FH-1共轴式无人直升机.pdf

FHFHFHFH 1 1 1 1 无人无人无人无人直升直升直升直升机系统机系统机系统机系统 北方天途航空技术发展北方天途航空技术发展北方天途航空技术发展北方天途航空技术发展 北京北京北京北京 有限公司有限公司有限公司有限公司 2010201020102010 年年年年 9 9 9 9 月月月月 一 用途及功能 用途 FH 1 无人直升机是经多年科研攻关 自主研发的具有国内先 进水平的小型无人直升机 该机采用共轴双旋翼形式 目前在国内 该技术居领先或独有的地位 该机具有尺寸小 结构紧凑 悬停效率 高的特点 可在较小的陆地和甲板上起飞和降落 陆地和海上运载方 便 可广泛应用于图像传输 对地观测 电子对抗 数据通讯 海上 作战 中继转发 空中监测 电力巡线 高压架线 航空摄影等领域 功能 1 可以对任务侦察区域在不同高度进行侦察摄像 将图像实时下传 2 夜间对任务侦察区域 在不同高度进行红外摄像 3 可以利用无线电测控系统进行自主程序飞行 减轻操作手的 负担 又可提高飞行航线精度和目标定位准确性 二 主要特点 自动起飞 定位降落 稳定悬停 空中任意回转 有效载荷大 续航时间长 飞行稳定性强 低速近距拍摄 抗风能力强 该机采用了独创专利技术 共轴式直升机机械增稳系统 该系统 显著增加了无人直升机的飞行稳定性和操纵性 该机机身采用了独特的金属盒形结构 机身既是承力结构又是油 箱和机载设备舱 结构紧凑 空间利用率高 该机在国内外首次采用左右对置安装 2 台活塞发动机的布局形 式 改善了发动机的维护性和工作环境 减小了发动机对设备的 干扰 在一台发动机出现故障时 另一台发动机可保证飞行器安 全降落 提高了飞行器的安全性 三 主要技术指标 几何参数几何参数几何参数几何参数 旋翼直径 2 6 米 桨叶片数 2 2 起落架跨度 0 8 米 机高 1 3 米 发动机功率 2 15 马力 重量重量重量重量 空机重量 50 公斤 任务载重 燃油 40 公斤 最大起飞重量 90 公斤 飞行性能飞行性能飞行性能飞行性能 海平面最大平飞速度 100 公里 小时 海平面巡航速度 60 70公里 小时 风力 飞行时 60 公里 小时 阵风 70 公里 小时 风力 起降时 36 公里 小时 无阵风 悬停升限 1500 米 动升限 2500 米 续航时间 速度为 60 公里 小时 2 小时 15 升油 2 6 小时 20升油 3 3 小时 25 升油 最大航程 速度为 60 公里 小时 120 公里 15 升油 150 公里 20升油 190 公里 25 升油 燃料 97 号车用汽油 全合成机油 50 1 启动方式启动方式启动方式启动方式 12v 45Ah 以上 直流车用电瓶地面启动 发动机自带启动电机 FH 1 无人直升机内部结构 与相同重量的单旋翼直升机相比 共轴式直升机具有如下优点 旋翼直径小 因采用两副旋翼 总体尺寸小 机身可完全在旋翼桨盘的范围内 对起降场地 单 旋翼直升机的尾桨部分必须超出桨盘部分 无需尾桨 通过上下旋翼平衡反扭矩 没有尾桨的功率损耗 单 旋翼直升机尾桨在悬停时最多可消耗总功率的 15 消除了由于尾桨带来的事故隐患 具有关资料显示 尾桨故障占 整个直升机的 20 左右 气动效率高 根据有关资料显示 共轴式直升机在悬停 中低速 飞行时的气动效率高 这正是无人直升机的主要作业状态 由于气流对称 共轴式直升机纵横向运动的固有气动耦合小 更 有利于实现直升机的飞行自动控制 由于体积小 结构紧凑 共轴式直升机在相同重量下较单桨直升 机更便于应用 可在更小的场地起降 可用更小的地面汽车运载 FH 1 无人直升机三面图及部位安排 四 系统组成 FH 1 无人直升机系统主要由飞行平台系统 飞行控制系统 遥控遥测系统 载荷设备等组成 一 飞行平台系统 1 机体结构 FH 1 无人直升机设计在结构上力求简单可靠 最大限度地降 低空机重量 并充分利用机身的空间容积 机身采用钣金盒形件结构 分为前 中 后三个盒形框 中框 为传动系统 发动机 操纵系统的支撑结构 内有燃油箱 使得油量 的变化不影响全机重心的水平位置 前后盒形框内安装飞控计算机 传感器 电源及任务载荷等设 备 该设备为遥控飞行 或自主飞行 的基本控制设备 外加的任务 载荷如摄像机 天线等可安装在盒形框底部 盒形框底部预留安装孔 可根据载荷尺寸 形状进行安装 后盒形框后端安装尾架 尾架后段安装水平尾翼和垂直尾翼 尾翼的主要功能是提供航向稳定性或操纵性 机身蒙皮与机身盒形框用螺栓连接 拆卸方便 蒙皮的作用为 减小前飞时的气动废阻力 如在低速飞行时也可不装蒙皮 蒙皮采用 玻璃钢薄壁结构形式 降低前飞时的废阻力 从而降低直升机前飞时 的需用功率 提高前飞速度 2 动力装置 FH 1 无人直升机的发动机选用 2 台活塞式发动机 发动机单 台功率 15 马力 为双缸水平对置 强制风冷 离心式离合器 电启 动 每台发动机可独立输出 12V 50W 的直流电和 70 瓦的交流电 货 源可靠 采用两台发动机的模式可提高直升机的飞行可靠性 即当一台发 动机停车后 另一台发动机可使直升机维持飞行 返回地面 3 旋翼系统 旋翼系统包括桨叶和桨毂 直升机通过旋转的桨叶产生升力来平 衡重量和飞行阻力 同时产生前后左右的操纵力 旋翼系统采用的翘翘板式 其特点是 省去了垂直铰和水平铰 只用一个悬挂铰 旋翼桨盘相对于旋翼轴的挥舞通过悬挂铰的摆动来 实现 4 操纵系统 操纵系统主要包括舵机 变距拉杆 自动倾斜器等部件 舵机通 过操纵系统实现旋翼的总距 周期变距和航向操纵 操纵系统用于控 制直升机的姿态和航迹 改变直升机的运动状态 5 传动系统 传动系统的功能是 将发动机的动力按总体设计规定的路径 转 速及转向传递给旋翼 传动系统由离合器 减速器 旋翼轴组成 其 功能是将发动机的输出功率按规定的传动比和方向传到旋翼轴 6 起落架 起落架采用常规的滑橇式起落架 制造材料为高强碳纤维材料 由模具加温固化成形 特点是重量轻 承载大 在起飞和着陆时 起 落架对整个机身起到缓冲作用 二 飞控导航系统 FH 1无人直升机飞行控制和导航系统 自动驾驶仪 采用动态 逆技术 H 算法和扩展 卡曼 滤波技术 该技术达到国际先进水 平 可以实现自主起飞 自主降落 自主任务飞行和地形匹配飞行等 功能 该系统在导航方面使用自适应扩展卡尔曼 EKF 算法 把IMU 地 磁传感器 GPS 气压高度计和地形匹配高度计等传感器的数据进行 深度融合 在恶劣条件下也可得到高精度高可靠的导航数据 在建模方面使用了参数辨识算法 只需要采集手动飞行的数据 便可以自动建立精确的直升机模型 然后生成控制器 不需要复杂的 数学推导 减小了自动驾驶仪集成的风险 减少了集成的时间 控制方面使用了自适应鲁棒控制 对风切变 任务负载突然变化 等干扰有很强的鲁棒性 保证了飞行的安全 对机械磨损任务负载 重心等变化有很强的自适应性 保证了飞行的精度和安全 控制器可 以进行速度控制也可以进行姿态控制 姿态控制有效的保证了恶劣条 件下的飞行安全 引导方面有遥控手柄 航路点和地形匹配等引导功能 在遥控手 柄引导模式下可以根据遥控手柄的输入量产生引导数据 在保证安全 飞行的前提下实现对飞机的速度控制 在航路点引导模式下直升机可 以根据3D 航路点产生引导数据 实现直升机的3D 飞行 在地形匹配 模式下可以根据地形数据产生引导数据 实现直升机的地形匹配飞 行 飞控导航系统的主要优点 姿态和速度控制 正常情况下使用姿态稳定和速度控制 在出现较 大的干扰情况下使用速度稳定和姿态控制 大大增加了飞行安全 实现了遥控手柄 航路点和地形匹配引导功能 可以由外环生成 内环控制指令 通过自适应扩展卡尔曼 EKF 滤波实现GPS INS捷联组合导航 对 飞行负载 重心等变化的自适应性 大大提高了飞行精度和飞行安 全 5M数据记录空间 最大可扩展成1G 导航算法对震动和其他干扰适应能力强 即使在恶劣的震动情况 下也能得到满意的导航数据 使用VxWorks操作系统 实时强 可靠性高 方便裁减 方便在不同 硬件平台上移植 对硬件的依赖性低 硬件和接口 嵌入式计算机系统 ARM920T内核处理器 32 MB Flash 最大可扩成1G 存储器 64 MB SDRAM 内存 GPS接收模块 接收器类型 L1 频率 16通道 可差分 位置精度 2 0m CEP 冷起设定时间 40s IMU 3 陀螺 100deg s 3 加速度计 4g 接口 12通道PWM输入 12位精度 12通道PWM输出 12位精度 5 路12 位精度的模拟量输入 5路数字I O通道 高3 3V 低0V RS 232 接口 地磁传感器 RS 232 接口 数据链 2个RS 232接口 用户任务设备 1 个以太网接口 用于调试 参数 控制精度 水平2 5m 垂直1 8m 航向1 5 度 前飞速度 25m s 空速 爬升速度 4 5m s 侧飞速度 4 5m s 尺寸 107 101 117mm 重量 1405 g 功耗 412 mA 12V 不包括舵机用电 工作温度 25 65 主要指标 导航 GPS更新速率 1Hz 航点模式下可移动伺服舵机 可改变高度 空速 用户可自定义 待命航线和错误处理方式 缓冲区可存储多达1000个航点命令 三 遥控遥测系统 遥控遥测系统主要由遥控遥测发射机 遥控遥测接收机 天线组 成 地面发射机通过天线与机载接收机通讯 并