基于单片机的四旋翼飞行器降落伞装置设计

基于单片机的四旋翼飞行器降落伞装置设计

摘要：现在的四旋翼飞行器被人为地加入了很多先进技术，具有自动翻转、拍摄等实际功能，但其安全降落问题却没有得到足够的重视。为了提高四旋翼飞行器的安全降落系数，提出了基于单片机的降落伞自动降落技术。利用WFT07无线遥控设备向对应的接收器发射数字信号，并将接收器的油门信号输入到A T89S52型单片机，当信号丢失时，单片机控制电磁继电器的电路并进一步控制电机转动，由三连杆滑块机构打开降落伞伞盖，这样即使在紧急情况下也能保证飞行器的安全降落。

关键词：四旋翼飞行器；数字信号；单片机；电磁继电器；降落伞

1 引言

四旋翼飞行器是现在飞行器模型研究中较多使用的模型，其四个旋翼的设计思想使得飞行器在飞行中较为平稳，能够完成翻转等一系列高难度的动作。但是大多的四旋翼飞行器都是由遥控器发射讯号，飞行器上的接收机接收讯号来进行起飞、翻转等动作，讯号的发射与接收在不同的环境中是不稳定的，讯号的大小与发射机、接收机的配合是否默契等因素都关系着飞行器的正常起飞、动作、降落等动作。

我们针对现在四旋翼飞行器在降落过程中不稳定的现象，提出了基于单片机的降落伞自动降落技术，运用无线遥控器，单片机，电磁继电器，电机，降落伞这个流程的控制来实现降落伞伞盖的打开操作，从而保证飞行器的安全降落。

2 硬件和软件设计

该自动降落控制系统的基本原理是无线遥控设备模块发射出数字信号，单片机[1]接收到数字信号后对电磁继电器电磁阀控制模块的开闭进行控制，以此来驱动电机工作，进而完成小型降落伞伞盖的打开动作。控制系统流程图1如下：

图1.自动降落控制系统流程图

2.1 电磁继电器简介

电磁继电器是一种有触点的继电器，它是利用电磁效应来实现电路的开、关控制，现在广泛应用于电子设备、仪器仪表以及自动化设备中。要实现降落设备的自动开启操作，电磁继电器是一种非常好的控制装置，既好设计，也方便操作。

电磁继电器一般由控制线圈、铁芯、衔铁、触点簧片组成，控制线圈和接点组之间是相互绝缘的，能够为控制电路起到良好的电器隔离作用。当继电器线圈两端加上其额定电压时，线圈中就会流过一定的电流，铁芯、衔铁及工作气隙组成的磁路内产生磁通，从而产生电磁效应，衔铁在电磁力作用下克服弹簧力1吸向铁芯，带动衔铁的动触点和静触点（常开点）吸合，线圈断电后，电磁的吸力消失，衔铁在弹簧力作用下返回原来位置，是动触点与原来的静触点（常开点）吸合。这样就可以实现自动装置的通、断控制。

2.2 单片机控制模块软件设计

单片机控制电磁继电器的电路如图2所示。

图2.电磁继电器内部电路

[2]图3.单片机控制模块设计思路图

此设计可实现的功能：在飞机起飞的情况下，当扫描油门子程序连续30次接收到的油门信号都为零时，即判断油门信号丢失，继电器吸合使电机转动，降落伞打开，为了节约电能，延时大约5秒后，继电器释放，电机停止转动。

2.3 电磁继电器电磁阀模块

电磁继电器[3]是一种电子控制器件，它具有控制系统和被控制系统，应用于自动降落控制电路中，实际上是用较小的电流去控制较大电流。继电器工作中，由于稳定吸合时线圈的工作电流已经超出C51芯片I/O 端口的驱动能力，所以考虑使用三极管来驱动继电器，又由于继电器线圈是电感性负载，在驱动电路中还要加相应的保护措施才行（反向二极管4148）。

图4.电磁继电器控制电路

将图2的实际控制部分提取出来，我们可以看到实际的继电器控制电路[4]如图4所示，当P36引脚输出“0”时，三极管导通，继电器RY1吸合，发光二级管DL11点亮；当P36引脚输出“1”时，三极管Q6截止，继电器RY1释放，发光二级管DL11熄灭。

2.4 机械装置设计

该自动机械降落装置采用的是连杆机构来控制小型降落伞伞盖的打开，连杆机构是三连杆滑块机构，一种可以将直线运动转变成旋转运动的机构，如图5所示。该机构有设计简单、控制

方便、反应快捷等特点。

控制装置主要是控制电机，电机旋转90°时开关即打开，依靠弹簧弹力来驱动滑

块滑动。滑块是机构的主动件，旋转盖为从动件，弹力kx F 4 （k 为弹簧的弹性系

数，x 为弹簧的实际压缩量）。

如图5所示的三连杆滑块机构，设上盖宽度为x ，连杆长度为x 2，上盖由水平位

置翻转到竖直位置，滑块位移变化为x ，即弹簧的压缩量。

如图6、图7所示，分别为三维软件建立的三维实体模型的外观图和内部结构。

图5.三连杆滑块结构图

图6.机械降落装置外观图 图7.机械降落装置内部结构

3 结束语

该降落伞自动降落装置的设计简单，控制方便，保证了四旋翼飞行器的安全降落，可以避免由于降落不稳而造成的飞行器机架或内部零件的损坏。不过，此装置还存在许多的不稳定和不确定因素。比如，机械装置（三连杆滑块机构等）需要有比较高的精度，才能保证降落伞伞盖的完全打开，如果伞盖没有完全打开，降落伞不会顺利展开，这样可能会造成飞行器更大的损坏；如果伞盖打开，降落伞则可以顺利展开，但是外界因素也会影响其动作的成功完成，如外界的风速、空中抛掷物等不确定因素。

该设计思想还可应用于其他的实际生产、生活中去，如仓库大门的设计以及农耕收割等实践，具有广泛的应用前景和应用价值。

参考文献：

[1]张鑫.单片机原理及应用（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2010年

[2]江力,蔡骏,王艳春,董泽芳.单片机原理与应用技术[M].北京：清华大学出版社,2006年

[3]张宇峰，李德胜.微型电磁继电器的制作和仿真分析[J].半导体学报,2002年，第23卷第12期：1298-1302

[4]钟虎,周志燕,梁兵.基于PIC 单片机的电磁继电器的控制设计[D].江苏： 中国矿业大学, 2010年