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傾轉旋翼無人飛行器多旋翼化發展趨勢明顯，傾轉旋翼系統設計模塊化有助于集成組裝、減少設計重復性。本文以四傾轉旋翼無人飛行器為目標，應用模塊化設計方法進行傾轉旋翼系統設計。首先，設計傾轉旋翼系統的模塊化機械結構、控制結構和通信結構，應用CAN 總線通信機制，將傾轉旋翼系統作為節點接入整機分布式控制系統；然后，開展傾轉旋翼系統內部槳距控制、旋翼轉速控制以及旋翼傾轉控制的研究；最后，搭建傾轉旋翼系統測試平臺，驗證傾轉旋翼系統模塊化各組成部分設計的正確性以及模塊化設計方法的可行性。結果表明：旋翼轉速波動誤差小于2.6%，且可在7 s 內實現直升機模式到固定翼模式的平緩勻速過渡，系統數據通信實時性良好，滿足傾轉旋翼系統應用需求。
引言
傾轉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勢，又可以在一定程度上彌補旋翼類飛行器速度不足的缺點，已成為無人飛行器領域的研究熱點。研究傾轉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，屬于二傾轉旋翼無人飛行器，最大飛行速度可達360 km/h；以色列于2010 年研制了一款三傾轉旋翼無人機“黑豹”，由前側2 個、尾部1 個電動傾轉旋翼構成倒三角布局的三傾轉旋翼無人飛行器；國內航空工業直升機設計研究所于2013 年提出了一款四傾轉旋翼無人飛行器“藍鯨”。縱觀國內外傾轉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旋翼無人飛行器的發展趨勢。
傾轉旋翼無人飛行器的傾轉旋翼系統在其控制結構上幾乎一致，只是安裝位置的不同使機械安裝接口存在略微差異。傾轉旋翼無人飛行器多旋翼化發展驅使傾轉旋翼系統設計引入模塊化設計理念，模塊化設計可使在傾轉旋翼系統機械設計、硬件設計、軟件設計上減少設計工作重復性。模塊化設計思想在國內外航空領域已有應用先例。羅利龍等以模塊化可重構無人機機翼為研究對象，開展針對多模型的同步優化方法研究；李春鵬等針對多用途無人機開展了模塊化氣動布局設計，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多用途無人機綜合氣動性能最優；J.P.David 等［針對可重構無人機，系統地分析了模塊化部件與無人機綜合性能之間的影響關系，采用多級優化方法完成了模塊化無人機的優化設計；J.C.Stephen 等提出了一種模塊化的垂直起降無人機，可由多種傾轉旋翼無人機通過磁耦合的方式進行組建，增加了機翼展弦比，提高了飛行性能。當前無人機模塊化設計思想主要應用于氣動布局、機械結構方面的優化設計研究，在傾轉旋翼無人機上的應用還比較少，且模塊化系統內部的控制結構以及模塊化系統與外界的通信交互方面的研究也較少。
本文以四傾轉旋翼無人飛行器為研究對象，采用模塊化設計方法，對傾轉旋翼系統從機械結構、控制結構和通信結構方面進行模塊化設計；將傾轉旋翼系統作為四傾轉旋翼無人飛行器的一個節點系統進行節點控制器設計，應用CAN 總線通信機制使其成為整機分布式飛行控制系統的一個子系統；構建傾轉旋翼系統模塊化部件測試驗證系統，開展傾轉旋翼系統模塊化部件設計測試和驗證。
結構模塊化設計方法
一、機械結構模塊
四傾轉旋翼無人飛行器的基本構件是4
套傾轉旋翼系統，作為動力部件承載著直升機模式、固定翼模式和過渡模式三種飛行模式的切換與功能實現。傾轉旋翼系統三維設計結構圖如圖1
所示，機械部分由旋翼系統和傾轉機構組成。旋翼系統為傳統的三槳旋翼系統，由3 個變距舵機和1
個旋翼轉速電機進行操控，經由自動傾斜器實現旋翼總距和縱、橫向周期變距改變，可使旋翼氣動力大小和方向發生變化，旋翼系統所用槳葉參數如表1所示。傾轉機構由渦輪蝸桿、伺服電機及其驅動器構成，可改變傾轉旋翼系統的整體氣動力方向。四傾轉旋翼無人飛行器由4
組相同部件構成，飛行器通道控制律經操控策略分配作用于傾轉旋翼系統部件的操縱機構，使飛行器產生左右、前后及上下運動變化。
圖1 傾轉旋翼系統結構圖
表1 旋翼參數
二、控制結構模塊
1、分布式控制系統
四傾轉旋翼無人飛行器除了配備4 組傾轉旋翼系統外，還有垂尾和襟副翼等執行機構，整機執行機構共有25 個，用單一控制器設計整機飛行控制系統，連接執行機構的操控信號走線龐雜，會帶來安全隱患。嵌入式飛控計算機主頻在100～200 MHz，單一控制器運算量大，難以兼顧多傳感器數據采集、融合與通信、控制律計算、控制信號輸出等。
綜合考慮各因素，四傾轉旋翼飛行器整機飛行控制系統設計為分布式結構。4
組傾轉旋翼系統各自擁有一套節點控制器，各節點操控策略依據飛行模式和所處的節點位置自行決策，控制旋翼系統相關執行機構。四傾轉旋翼無人飛行器共設計有1
個主控制器和4
個節點控制器，主控制器負責飛行狀態采集、地面站數據交互、通道控制律計算等任務。節點控制器與主控制器通過CAN總線相連，整機系統控制器位置結構布局如圖2
所示。4 組傾轉旋翼系統按順時針順序定義為節點1、節點2、節點3 和節點4，各配置1 個節點控制器，實現傾轉旋翼系統模塊化設計。
