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傾轉(zhuǎn)旋翼無人飛行器多旋翼化發(fā)展趨勢明顯，傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)設(shè)計模塊化有助于集成組裝、減少設(shè)計重復(fù)性。本文以四傾轉(zhuǎn)旋翼無人飛行器為目標(biāo)，應(yīng)用模塊化設(shè)計方法進(jìn)行傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)設(shè)計。首先，設(shè)計傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)的模塊化機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)和通信結(jié)構(gòu)，應(yīng)用CAN 總線通信機(jī)制，將傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)作為節(jié)點接入整機(jī)分布式控制系統(tǒng)；然后，開展傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)內(nèi)部槳距控制、旋翼轉(zhuǎn)速控制以及旋翼傾轉(zhuǎn)控制的研究；最后，搭建傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)測試平臺，驗證傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)模塊化各組成部分設(shè)計的正確性以及模塊化設(shè)計方法的可行性。結(jié)果表明：旋翼轉(zhuǎn)速波動誤差小于2.6%，且可在7 s 內(nèi)實現(xiàn)直升機(jī)模式到固定翼模式的平緩勻速過渡，系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信實時性良好，滿足傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)應(yīng)用需求。

 引言 

傾轉(zhuǎn)旋翼無人飛行器兼具旋翼飛行器和固定翼飛行器的特點，既擁有垂直起降的優(yōu)勢，又可以在一定程度上彌補(bǔ)旋翼類飛行器速度不足的缺點，已成為無人飛行器領(lǐng)域的研究熱點。研究傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器最早的是美國貝爾公司，于1993年成功研制了TR918 鷹眼無人機(jī)，屬于二傾轉(zhuǎn)旋翼無人飛行器，最大飛行速度可達(dá)360 km/h；以色列于2010 年研制了一款三傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)“黑豹”，由前側(cè)2 個、尾部1 個電動傾轉(zhuǎn)旋翼構(gòu)成倒三角布局的三傾轉(zhuǎn)旋翼無人飛行器；國內(nèi)航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計研究所于2013 年提出了一款四傾轉(zhuǎn)旋翼無人飛行器“藍(lán)鯨”。縱觀國內(nèi)外傾轉(zhuǎn)旋翼無人飛行器的研究，為了提高承載能力和性能，多旋翼化已成為傾轉(zhuǎn)旋翼無人飛行器的發(fā)展趨勢。

傾轉(zhuǎn)旋翼無人飛行器的傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)在其控制結(jié)構(gòu)上幾乎一致，只是安裝位置的不同使機(jī)械安裝接口存在略微差異。傾轉(zhuǎn)旋翼無人飛行器多旋翼化發(fā)展驅(qū)使傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)設(shè)計引入模塊化設(shè)計理念，模塊化設(shè)計可使在傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計上減少設(shè)計工作重復(fù)性。模塊化設(shè)計思想在國內(nèi)外航空領(lǐng)域已有應(yīng)用先例。羅利龍等以模塊化可重構(gòu)無人機(jī)機(jī)翼為研究對象，開展針對多模型的同步優(yōu)化方法研究；李春鵬等針對多用途無人機(jī)開展了模塊化氣動布局設(shè)計，將主要氣動部件分為公用、專用和通用三類模塊，選擇合適的模塊組合方案實現(xiàn)多用途無人機(jī)綜合氣動性能最優(yōu)；J.P.David 等［針對可重構(gòu)無人機(jī)，系統(tǒng)地分析了模塊化部件與無人機(jī)綜合性能之間的影響關(guān)系，采用多級優(yōu)化方法完成了模塊化無人機(jī)的優(yōu)化設(shè)計；J.C.Stephen 等提出了一種模塊化的垂直起降無人機(jī)，可由多種傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)通過磁耦合的方式進(jìn)行組建，增加了機(jī)翼展弦比，提高了飛行性能。當(dāng)前無人機(jī)模塊化設(shè)計思想主要應(yīng)用于氣動布局、機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化設(shè)計研究，在傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)上的應(yīng)用還比較少，且模塊化系統(tǒng)內(nèi)部的控制結(jié)構(gòu)以及模塊化系統(tǒng)與外界的通信交互方面的研究也較少。

本文以四傾轉(zhuǎn)旋翼無人飛行器為研究對象，采用模塊化設(shè)計方法，對傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)從機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)和通信結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行模塊化設(shè)計；將傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)作為四傾轉(zhuǎn)旋翼無人飛行器的一個節(jié)點系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)點控制器設(shè)計，應(yīng)用CAN 總線通信機(jī)制使其成為整機(jī)分布式飛行控制系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)；構(gòu)建傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)模塊化部件測試驗證系統(tǒng)，開展傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)模塊化部件設(shè)計測試和驗證。

 結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計方法 

一、機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊

四傾轉(zhuǎn)旋翼無人飛行器的基本構(gòu)件是4

套傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)，作為動力部件承載著直升機(jī)模式、固定翼模式和過渡模式三種飛行模式的切換與功能實現(xiàn)。傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)三維設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖1

所示，機(jī)械部分由旋翼系統(tǒng)和傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。旋翼系統(tǒng)為傳統(tǒng)的三槳旋翼系統(tǒng)，由3 個變距舵機(jī)和1

個旋翼轉(zhuǎn)速電機(jī)進(jìn)行操控，經(jīng)由自動傾斜器實現(xiàn)旋翼總距和縱、橫向周期變距改變，可使旋翼氣動力大小和方向發(fā)生變化，旋翼系統(tǒng)所用槳葉參數(shù)如表1所示。傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由渦輪蝸桿、伺服電機(jī)及其驅(qū)動器構(gòu)成，可改變傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)的整體氣動力方向。四傾轉(zhuǎn)旋翼無人飛行器由4

組相同部件構(gòu)成，飛行器通道控制律經(jīng)操控策略分配作用于傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)部件的操縱機(jī)構(gòu)，使飛行器產(chǎn)生左右、前后及上下運(yùn)動變化。

圖1 傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 旋翼參數(shù)

二、控制結(jié)構(gòu)模塊

1、分布式控制系統(tǒng)

四傾轉(zhuǎn)旋翼無人飛行器除了配備4 組傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)外，還有垂尾和襟副翼等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，整機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)共有25 個，用單一控制器設(shè)計整機(jī)飛行控制系統(tǒng)，連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操控信號走線龐雜，會帶來安全隱患。嵌入式飛控計算機(jī)主頻在100～200 MHz，單一控制器運(yùn)算量大，難以兼顧多傳感器數(shù)據(jù)采集、融合與通信、控制律計算、控制信號輸出等。

綜合考慮各因素，四傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器整機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計為分布式結(jié)構(gòu)。4

組傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)各自擁有一套節(jié)點控制器，各節(jié)點操控策略依據(jù)飛行模式和所處的節(jié)點位置自行決策，控制旋翼系統(tǒng)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。四傾轉(zhuǎn)旋翼無人飛行器共設(shè)計有1

個主控制器和4

個節(jié)點控制器，主控制器負(fù)責(zé)飛行狀態(tài)采集、地面站數(shù)據(jù)交互、通道控制律計算等任務(wù)。節(jié)點控制器與主控制器通過CAN總線相連，整機(jī)系統(tǒng)控制器位置結(jié)構(gòu)布局如圖2

所示。4 組傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)按順時針順序定義為節(jié)點1、節(jié)點2、節(jié)點3 和節(jié)點4，各配置1 個節(jié)點控制器，實現(xiàn)傾轉(zhuǎn)旋翼系統(tǒng)模塊化設(shè)計。