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无人直升机的设计和组装蔡国伟 彭克茂 陈本 李唐摘要 一个简单的无人机直升机被称为非线性控制技术的测试平台。 无人机直升机包括：（1）先进的无线电遥控作为一项基本载体;（2）一个简单的航空电子系统（3）地面支持系统。 航空电子系统包括一个小型的PC - 104电脑系统和微机电系统（微机电系统）导航和惯性测量装置作为主要测量感应组件。 一对全双工收发器是用来给直升机和地面之间提供无线通信。地面接收器和一个在地面的计算机系统形成一个支撑体系。无人直升机是用来实现自动飞行的控制系统。 一. 引言 在过去几年里学术界无人飞行器（UAV）引起了极大的兴趣。它可以服务于许多应用平台和纯学术研究。作为一个有机动性和多功能性的学科，无人驾驶飞行器具有潜在军事以及在民用领域的科学意义,参见文献1 2 3 6 7 8 10 11 12。许多世界各地的研究小组选择了无人机直升机作为学科研究方向，探索和测试先进的控制技术1。多样的方法如近似线性9，神经网络4，13和学习控制5，已用于设计无人直升机的飞行控制规律。提高自动着陆，悬停和自动飞行的性能。我们的动机是为了发展一个无人直升机，作为一个试验平台验证我们提出非线性控制系统。一个典型的无人机飞行器应包括以下基本组成部分：1）有引擎的飞行器以完成一些基本的飞行功能 2）一个简单的航空电子系统实现自动飞行的控制系统。 这种系统应包括：a）一个机载计算机系统，以收集数据，以执行飞行控制，以及完成与地面系统的通信;b）必要的传感器来测量和控制信号用于驱动执行机构;c）通信系统，以提供无线通信，其中包含两个全双工收发器，一个是机载另一个是在地面上; d）一个机载电源系统; e）自动飞行控制系统。 3）地面支持系统，包括：a）一个全双工收发器提供飞机无线通信; b）计算机系统，以预先安排飞行路线，并收集飞行数据。 据悉，该无人机飞行上面列出的组件是比较简单的一种。 集成的无人驾驶直升机只是用于学术研究。军用或商用无人机更为复杂。在了解无人飞行器的基础上，我们设计并组装一个简单的原型无人直升机。先进的无线电遥控玩具直升机被选择作为基本飞行器。一个简单的航空电子系统的设计。这种微型PC- 104将被用于机载计算机系统和微机电系统的导航，惯性测量组件被选择作为一个主要的航空电子传感装置。 一对全双工收发器将用于提供和地面计算机系统的实时通信。这样一个简单的无人直升机有足够的能力执行飞行速度为20米/秒的飞行任务。 本文的内容如下：在下一节中，我们提出了一个简单的无人直升机设计，简单的航空电子系统的部件将在第三节介绍，装配无人直升机将在第四节提到。最后，第五节我们得出一些结论。二.无人直升机的设计 在这一节，我们介绍了支持系统组成部分的详细无人机直升机，其中包括基本直升机，简单航空电子系统和支持系统。 A.基本直升机 先进的无线电遥控（RC）直升机（猛禽90），如图1，被评为基本飞机。 这样的选择是重要的是适合我们的需要，因为它更可轻松升级为自动无人机直升机是一个具有完整试验的系统，传感器和必要的通信的调制解调器，它的飞行可以利用控制法律的实施。更重要的是，我们更便宜的升级遥控直升机比购买了一套完整的商业无人机直升机系统更便宜。这猛禽90遥控直升机是一种高品质的玩具直升机。在爱好产业，这些远程控制完全是手动的。它有稳定的悬停，飞行敏捷和温顺的处理。它是理想的服务作为一个基本的无人机。该猛禽90直升机的尺寸列于表一，它是微型大小。 图1基本型直升机猛禽90遥控直升机的尺寸全机身长度1410mm全机身宽度190mm总高度476mm主旋翼直径1605mm尾旋翼260mm 它配备了一个“OS91 C型聚苯乙烯”引擎，是发电15000转，一位移3.1 ps的能力CC和实际的14.95角速度2,000至16,000不等转。该直升机齿轮比率为8.45:1:4.65。最大起飞重量直升机的达15公斤，而直升机本身重量约4.9公斤。 因此，可以提供一个有效载荷可达10公斤，远远高于我们的预算对航空电子系统和其他重组件被升级。它可以有效地减少偶联集体和循环之间有一个命令混合控制单元，这使得直升机操作便利的手动操作。B.简单的航空电子系统 一个简单的航空电子系统和地面支持系统的设计，以提高玩具无线电遥控直升机。 图2显示了航空电子系统和机载系统连接的计算机之间，地面支持系统和手工作业系统。该计算机系统安装在直升机是PC - 104，一个典型的工业嵌入式计算机系统，它是适合小型规模和经营环境的强烈振动大的工业噪声，干扰和。 在PC - 104电脑系统是装在模块与工业标准架构（ISA）总线。 它由4块板的印刷电路板，即主处理板，串行通讯板，一个A / D数据采集板和一个DC - DC转换器。串行通信板是采取延长处理的主要沟通电路板及周边设备，如伺服控制器板，传感器与数字串行通讯端口和A / D数据采集，收集与模拟输出传感器的模拟信号从。 一个全双工收发器是提供现代计算机系统和机载计算机系统，通过无线通信与地面。 磁性转速（每分钟转速）传感器是测量主旋翼的转速。 净产值- IMU的单位（惯性/全球定位系统）是）技术的主要传感器在航空电子系统，它是一个综合传感单元使用的MEMS（微机电系统。 这些传感器提供3轴加速度，三轴速度和，俯仰和滚动角三轴角速率对身体的框架，经度，纬度，相对高度及航向以及主旋翼的转速。 虽然传感器无法测量周围空气的相对运动和飞机之间的，他们可以提供足够的信号，以控制多达秒至米/运动的直升机有效的空速 由于空气动力作用的直升机从这么小的机身是在小空速，它可以安全地忽略。 此外，周围空气相对运动之间的直升机，其影响很小主叶片空气动力效应对转子旋转到比较快速旋转。 有5架正在安装的伺服舵机。 在上述五个伺服系统，一个是控制驱动装置的齿轮旋转，速度比通过转子和尾桨在一个固定齿圈发动机用于控制旋转速度的主要。 另有3伺服链接到十字盘控制主旋翼叶片集体和循环的角度攻击。 最后是伺服控制尾桨桨叶角度。 伺服所有这些都是小尺寸和调制驱动脉冲宽度（PWM）信号。 一种镍氢电池用于供电的伺服系统和伺服控制器板，它是控制模式之间切换的自动模式和手动稍后提出。 另一种锂离子电池组供电，以用于机载计算机系统，传感器和通信系统。 这种系统设计的电源保护的伺服系统，产生的干扰机载计算机系统，该系统承担大负荷来驱动控制面。 C.支持系统 支撑系统包括一个地面全双工收发器和一个地面计算机系统。 该收发器是为现代计算机系统和地面计算机系统，通过无线通信之间的空气。 地面计算机系统用于预先安排的无人机直升机飞行轨迹的和收集飞行数据。 D.运营的航空电子系统 原控制系统的直升机手工操作的玩具留在我们的广播是航空电子系统。手动操作体系是非常有用的我们，以确定该模型的数据与飞行无人机直升机 图2简单的航空电子系统第一阶段。系统的手动操作也可以成为一个无人直升机辅助部分的，可以投产，如果必要的开关。因此，有两种操作模式手动模式在航空电子系统，即自动模式和。 模式开关控制由原始手工操作的系统。 该手册操作之前，自动操作，因为它的可靠性的。 如果有必要，它可以从自动模式切换到手动模式，以避免混乱的直升机飞行的无人机。 自动模式。自动飞行控制系统将 在设计和实施了航空电子系统。在自动模式下，计算机系统执行空中飞行管制法例，以推动无人机直升机。运作的基础上设计的命令时，空气中的计算机系统是搜集如从传感单位实时数据资产净值-惯性测量单元和转速传感器，计算命令和发送指令来驱动伺服控制直升机飞行的无人机。在每一个区间，时间槽要离开了系统的机载计算机之间的通信地面计算机系统。操作员可以修改计算机系统的地面飞行前计划以改变无人机直升机飞行轨迹的。 手动模式。在手动模式下，无人机直升机成为手动无线电遥控。猛禽90直升机使用“小PROPO PCM9X”九大通道无线电控制系统，透射电子显微镜，它包括四个部分：发射机，9通道接收机镍氢电池组和5个舵机。 最后的三个组成部分都安装在直升机伺服框架。 输入信号，伺服四个五个伺服发送和接收输入信号到最后是从一个接收器陀螺仪测量偏航率，其中输入信号实际上是从一个合成信号的测量和命令从。 其中5个伺服系统，一个是控制发动机转速环的，这是通过控制转子的比例和尾桨在一个固定齿轮的齿轮传动装置的纺丝速度的主要主体，如齿轮传动装置和尾。 另外三是与斜盘伺服控制集体和循环的角度 刀片攻击主旋翼。 最后是控制伺服自动角度，尾旋翼，其中一个闭环包括陀螺仪，伺服和直升机，以稳定的方位直升机。 机械手可以在地面飞行控制发射机对发送信号通过无线控制。 三。航空电子系统的组成 我们提出在本节中的每一个航空电子系统的简单，其中包括以PC - 104电脑系统，如NAVIMU传感器传感装置和转速传感器，伺服控制器和无线通信设备组件的详细说明A.PC-104计算机系统 如前所述，机载计算机系统是PC - 104电脑系统如图3所示。在PC - 104是一种工业嵌入式振动计算机系统具有良好的抗能力。 该系统规模的印刷电路板（PCB）在这个工业计算机毫米。 该系统由4块板的PCB，即一个主处理板，串行通讯板，一个A / D数据采集板和直流到直流转换器。 它们连接通过休克ISA总线与反引脚和插座连接插座。 一个实时操作系统（实时操作系统）是必需的机载计算机系统。实际上，对于我们做好实时操作系统基于DOS操作系统的工作体系的威力。 机载计算机系统是用于执行命令的任务在指定的定期。经过慎重考虑后，我们最后选择了“QNX的中微子”作为实时操作系统的计算机系统为我们的空降。 这种制度具有以下特点： 1）“QNX的中微子”有一个完美的集成德弗尔詹姆斯古斯塔夫斯佩思环境（IDE），可以减少负担的编码和调试。 许多其他常见的电脑，如C语言，C + +和Java语言也被纳入QNX的实施飞行控制系统。 2）应用程序可以被编码和主机调试在远程Windows的主机电脑或QNX的， 电脑和可以执行在空中的COM -帕特系统独立，它提供了飞行控制系统大时地venience建模的发展过程中的直升机和无人机。 3）QNX的RTOS是微内核和中断响应要求在微秒。 主要处理板有86赛扬处理器，完全兼容的RTOS与QNX的，具有650 MHz的主频和512 MB的内存。 一个2 GB的CF卡是作为机载计算机系统的存储介质的。 主要处理板只提供两个串行通讯端口，这是不足够的处理器主要沟通与周边设备。 因此，串行通信电路板被用作处理器扩展为主要沟通与周边设备。 串行通信接口板提供8套的RS - 232串行通信。 该A / D数据采集板提供16个频道的16 -位A / D转换器，以收集与模拟传感器输出的模拟信号的。 D转换器转换时间的影响，A /是在微秒。 直流到直流转换器电路板是把一个9-30伏直流电输入电压为标准 +5 V和+12 V电压，以支持航空电子系统，除了五伺服系统和伺服控制器板。 B.传感器 资产净值- IMU的传感单元是一个完整的计量单位，其中措施几乎所有必要的信号。 该转速传感器测量直升机旋翼的旋转速度的主要。 虽然这些传感器无法测量空气相对运动的荷兰国际集团之间的直升机和无人机的环绕，测得的信号，足以控制直升机运动中的无人机，因为空气动力学效应可以忽略的小第空速可达20米/ NAV-IMU的传感单元是一个微机电产品，在图4所示接收器，与大小毫米，其中包括三轴向加速度计，三轴角速度传感器，三轴磁力计和1个通道的GPS，提供3轴加速度，3轴速度和三轴角速率对身体的框架，经度，纬度和地方相对高度以及）方向的偏转角的车身骨架的欧拉角（即滚动，俯仰和。相关规格列于表二。 全球定位系统信号更新率的测量信号（除）是可编程从1-100赫兹，这是法律的实施足够的控制我们的航班范围，精度和resolu，信号树高测量都很好，足以保证法律执行情况的闭回路控制系统，包括无人机的飞行和直升机。 如果无人机直升机是被设计为在更高的飞行空速，空速所需的传感器，以及攻击的侧滑角度会发生改变。 图4、NAV-IMUC.伺服控制伺服控制器板是提供手动模式和自动模式10毫秒之间切换，如图5所示。该开关是在自动飞行混乱的情况下手动操作控制。通道的无线电控制系统0是在开关模式充电的。伺服控制器板有一个80 * 90毫米的大小和共享电源供应该伺服。这样的安排是为了以确保手动操作可以运行独立进行。无人机直升机可以是自动操作模式也可以是手动模式。D无线通信设备 一个收发器设置一个全双工无线电台和一个调制解调器（见图6）安装在直升机和无人机机载计算机连接到系统。 其他设置一个全双工的无线电收发器和一个无线调制解调器（见图7）被放置在地上，连接到地面计算机系统。 机载装置较少紧凑尺寸和重量超过100克，的规格对发射机和重新列于表三。它们可以提供全双工的视线光无线通信与115.2 kbps的20英里范围内。 这远远超出了范围，经营范围的飞行试验中，该无人机直升机。 图5伺服控制器板图7地面接收器和天线 四无人直升机的组装 这架直升机组装的无人机将会在本节中的前两个阶段。在，原有的猛禽90直升机起落架的意志加以修订，然后将所设计的航空电子系统的适当的包装和安装在机身的基本直升机。无人机直升机零部件的组装与必要的是如图8所示。 原有的基本的直升机降落齿轮是塑料的，这是无力承担模式的数量碰撞穆明所发出的声音时，无人机直升机手册降落在地面或在自动。 没有足够的空间基本直升机在机身安装航空电子系统设计（见图1）。 因此，我们设计和改变齿轮的材料为铝合金登陆，并作出更大的空间的航空电子系统在直升机机身的基本。 图6机载收发器航空电子系统是装在一个碳纤维框。 盒子内的布局如图9所示，这是设置均衡的惯性测量装置，尽可能接近以及对系统的中心avonic重心基本直升机的航空电子系统和。 布局是由水平面主要的考虑因素的权重分配的基本制度，并在直升机的航空电子设备，内容如下： 1）衡量纤维框预测点碳中心的重力水平底平面的基本直升机上。 2）惯性测量装置被放置以尽量接近预测点的平面中心底部重力水平的基本直升机。 3）惯性测量装置，被定为中心的航空电子系统水平的严重性，以找到其他组件。 这样的设计将使纤维框预测点碳重心的水平对底平面的惯性测量装置的综合无人机直升机附近的位置。 如有必要，可以采取额外的考虑，以平衡分发的组件的重量确保在IMU的航空电子系统放置在水平的重心。在IMU不能置于靠近中心8图的严重程度，作为综合无人机直升机垂直显示，因为直升机的结构无人机的集成。 这应该是法律的补偿，数据处理建模中的控制和设计的飞行。 所有的印刷电路板和单位是固定在一个光纤盒铝合金框架内的碳。 我们使用的引脚和插座或电缆连接振动锁定，这是强大的冲击。碳纤维框挂在直升机机身的基本金属齿轮与辅助着陆架钩上。 无人机直升机的组装小于14公斤。最后，航空电子系统已在实验室测试。综合无人机直升机已经测试成功，手工操作。图8装配无人机直升机图9航空电子系统的布局 五.结论 在本文中，我们已经报道了设计和装配无人机直升机。先进的无线电遥控直升机已被选定为基本制度和一个简单的直升机航空电子设备的设计，以提高无人机直升机是一架直升机，其中一微型电脑PC-104计算机系统被选为机载计算机系统和微机电系统和惯性导航测量单位为单位作为主要的检测。 伺服控制器是用来模式之间切换的自动模式和手动控制的无人机直升机。 这样一个简单的无人机直升机已执行能力的自动飞行空速高达20米/秒 此外，一个支持系统的设计，支持全双工自动飞行与无线通讯。 所开发的无人机直升机完全手工操作已经测试成功。在起飞重量约14公斤，小于15千克最大有效载荷。 已获得有用的数据，将用于分析和阶段，在未来以确定直升机和无人机的飞行控制律设计。 手动模式是有用的飞行控制律的设计，为日后的工程中的建模与验证无人机直升机的飞行数据和。 它为我们提供了一个更安全的平台上进行的飞行测试。 参考文献：1 Bortoff, S.A., “The University of Toronto RC helicopter: a test bed for nonlinear control,” Proceedings of the 1999 IEEE International Conference on Control Applications, pp. 333-338, Hawaii, 1999.2 Dunbabin, M., S. 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