基于ARM系统的旋翼飞机的设计

杂条件下起 飞及降落 ，＿ｊ｝且不需要特殊起降场
机臂 设计， 如 图 ２，根 据 设计 要 求，起
地 ，具有较 高的自动化技术 ，方便搭载不同的 飞 重 量 为 ７．５ｋｇ， 总 体 结 构 为 四轴 平 铺 ， 每 轴
设 备 以实 现 不 同 的用 途 ．其 在 军 事 、 民用 领 域 得 到 越 来 越 广 泛 的 应 用 。
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ· 电子技术
系统 的飞 行控制 系统 采用 模块化 设计 ， 通 过采 集 陀螺仪 、加 速度 计、ＧＰＳ位 置、地 磁感器、气压、温度传感器等信息进 行姿态检 测和控制，控制器控制四个无刷电机 作为动 力 引擎，并通 过 ＰＷＭ 脉 宽调制 技术 及 ＰＰＭ 载 波聚合技术控制飞机姿态，从而实现 稳定飞行 和 自动 驾 驶 飞 行 功 能 ， 完 成 多种 任 务 。 通 常
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Ｐ蛳 ｌ０其辅双桨与单桨推力对比 （１｜．搴、『桨阃距ｌｋｍ）
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电机
【关键 词 】机 体构 架 姿态传 感器 信 号滤 波 ＰＩＤ算 法
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图 １：效 率 对 比
１ 引言
定的情况 下，共轴双桨 的效率 比两个 电机平铺 要 小 ，效 率只有 ８２％ 左右 ：相 同输 入功 率情
２Ｏ世纪 ９Ｏ年代后 期，随着 微机 电系统、 况下，共轴双桨与只与单 电机效率相 当，因此 ，
传感器技术 的成熟及惯性导航系统的开发，使 采 用 四轴 平 铺 架 构 。
得 多旋翼飞行器 的自动控制变为现实。 目前， ２．２机 体 结 构 设 计 旋翼无人机 具有定 点悬停等固有特性，能在复
图 ３： 陀螺传感器电路
２．１ 基本 结 构 框 架
起落架都不会收起来，更大的保护 了飞行器 的 安全 安装舵机 后就是一个收放式起落 架，可
多旋 翼无人机 根据 旋翼数 目不同及安 装 结构 不同，其飞 行性能及控制参数有差异，平 铺 四轴架构 ，特 点是结构简单 、便携 ，效率较 高，飞行平稳 ，动力冗余较差。
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＿＿＿＿＿＿＿＿＿ ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ －－＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿１ 节 试
验 测试 表 明，该 系统 能够在 搭 建
的 狭 小 空 间０主 动 避 开 障 碍 ， 具 有
稳 定飞 行 的 能挪力 。 ｍ
Ｘ８架构 。特 点是较为便携 ，动力冗余充足，
以自由的收放。起落架固定座采用 一体化设 计， 大大增强 了起落架强度 ，增强了降落时 受力 的 分散 ，采用碳纤维材料，重量轻 ，摆 动阻力 小， 不 容 易损 坏 舵机 。
３ 硬 件 电 路设 计
图 ４：地磁传感器电路
飞行平稳性 好。三轴平铺架构 ，特点为效率最 高，但机械结构复杂 ，且较难控制。
行控 制器通过采 集加 速度传感 器、 三 轴 姿 态 传 感 器 、 地 磁 传 感 器 传
感 器信 号，采 用经 典 ＰＩＤ算 法研
究 控 制 系 统 的 参 数 ，输 出 ＰＷＭ波
形 来 控 制 四 个 电 机 转 速 ， 实 现 四
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芯 片，以便能 记录飞行器执行任务时的所有数 据 （黑 匣子 ） ，方 便 对 飞 行 任 务 进 行 检 查 ， 也 方 便 对 事 故 原 因 进 行 分 析 与 调 试 。 系 统 控 制 ＭＵＣ选 择 ３２ｂｉｔ ＳＴＭ３２Ｆ４２７ Ｃｏｄｅｘ Ｍ４核 心 ，
１６８ Ｍ Ｈｚ； １２５６ ＫＢ ＲＡＭ ； １２ Ｍ Ｂ Ｆｌａｓｈ： ３２
电子技术 · Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
基 于 ＡＲＭ 系统 的旋 翼 飞机 的设 计
文 ／戴 亦宗
基 于 ＳＴＭ３２Ｆ４ ２ ７的 ＡＲＭ构 架
微控 制 器来 实现 四旋 翼飞行控 制
系统 ，构建 了飞行 器的基本结构 ， 机 械 结 构 实 现 了模 块 化 设 计 。 飞
本 文 没计 了 基于 ＡＲＭ 系 统 的 旋 翼 飞 机 ，
的 平 均 受 力 为 １８７５ｇ， 每 轴 平 均 受 力 ：起 飞 总 重 量 ／机 臂总 数 ， 己 知 机 臂 总 长 ３００ｍｍ 支 撑 点 距 动 力 端 ２５０ｍｍ 即 支 点 处 受 最 大 应 力
包括 基本结构的选择，机械结 构的模块化设计， ３７０ＭＰａ，采用 ３ｋ ｌ５ｍｍ 碳纤维方管即可满足
系 统 硬 件 设 计 、避 障 方 案 及 现 场 调 试 ，试 验 测 设计要求，并有 相当冗余以适 应高机动 飞行 。
试表 明，该 系统能够在搭建的狭小空间主动避 开 障 碍 ，实 现 稳 定 飞 行 。
２ 结 构 设 计
起落架设计 由曲柄连杆 机构及舵机和控制 电路 部分构成，具有 自锁功能，利 用曲柄 机构的死 点特性在不装配舵机 的情 况下可 以当做 固定式 起落架，不管降落的时候受到多大的冲击 力，
在 进 行飞行 结构 系统选 型之 前，首 先要 确 定 飞机 的起飞重量，由于本 次设计为轻型多 旋翼无人机 实验 平台，将起 飞重量限定在 ７．５ｋｇ 以 内，载重并没有超 过 ８ｋｇ，考虑经济性和便 携 性 ， 仅 对 Ｘ８结 构 及 平 铺 四轴 结 构 进 行 试 验 效 率 分 析 。 实 验 采 用 ４０１０电 机 桨 间 距 １３ｃｍ
ｂｉｔＳＴＭ３２Ｆｌ０３同 步协 处 理 器 。
３．１ 电源 模 块
的 结 构 ， 测 试 结 果 如 图 ｌ所示 ．在 起 飞重 量 一 四 旋 翼 无 人 控 制 系 统 内 置 ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ 存 储
采用 Ｌｄｌ ｌ１ ７三端稳压器及 ＭＩＣ５２０７电源
１３２ ·电子技术 与软 件工 程 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｅｎｇｍｅｅｒｉｎｇ