【正文】 要通過(guò)已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的直升機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)中的葉素理論對(duì)旋翼載荷進(jìn)行分析，并且介紹了操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 旋翼載荷分析 葉素理論就是把旋翼槳葉分為無(wú)限個(gè)葉素（槳葉微段）組成，先對(duì)葉素分析受力情況然后對(duì)整個(gè)旋翼進(jìn)行積分從而得到旋翼載荷。槳葉受力圖如圖 。 圖 初始值： 表 翼型 NACA0012 弦長(zhǎng) 8cm 旋翼半徑 80cm 轉(zhuǎn)速 1600rpm 槳葉以Ω的角速度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋翼半徑為 R，槳尖速度為Ω R=135m/s，槳葉微段距槳轂中心的距離為 y，爬升速度為 V0（懸停時(shí)為 0），槳盤(pán)處的誘導(dǎo)速度為ν 1，合速度為： W=V0+ν 12+Ω y2（ 21） 這個(gè)速度與構(gòu)造旋轉(zhuǎn)平面所成的夾角叫做來(lái)流角Φ： Φ =tan1V0+ν 1Ω y（ 22） 小角度時(shí)可以近似為： Φ =V0+ν 1Ω y（ 23） 設(shè)槳葉葉素的安裝角為θ，則槳葉的迎角α為： α =θ Φ（ 24） 取α =8176。 設(shè)葉素沿翼展方向長(zhǎng)度為 dr，則作用在槳葉微段上的升力和阻力為： dL=12CLρ W2cdydD=12CDρ W2cdy（ 25） 式中 c為弦長(zhǎng)， CL和 CD分別是翼型升力系數(shù)和型阻系數(shù)。而且它們均與翼型的形狀、迎角、Re 數(shù)和馬赫數(shù)等有關(guān)。根據(jù) NACA0012 翼型升力系數(shù)曲線圖和槳葉翼型極曲線可以確定出升力系數(shù) CL= CD= 微段翼型拉力和翼型扭矩為： dT=dLcos?dDsin?dQ=dLsin?+dDcos?y（ 26） 由于一般來(lái)流角Φ很小，則可取近似： W≈Ω y（ 27） dT≈ dL（ 28） dQ≈ ?dL+dD（ 29） 引入無(wú)量綱參數(shù)： r=yR（ 210） dCT=dTρπ R2Ω R2（ 211） dCQ=dQρπ R3Ω R2（ 212） λ =V0+ν1ΩR=r?（ 213） λ是來(lái)流系數(shù)，微元拉力可寫(xiě)作： dCT=12ρ W2cdyCLρπ R2Ω R2=12cπ RCLr2dr（ 214） 對(duì)于 N片槳葉來(lái)說(shuō)： dCT=12Ncπ RCLr2dr（ 215） 引入槳葉實(shí)度?： ? =Ncπ R=（ 216） 則式（ 215）可以寫(xiě)成： dCT=12? CLr2dr（ 217） 沿翼展方向積分得拉力系數(shù)： CT=12? 01CLr2dr=（ 218） 對(duì)微段上的扭矩?zé)o量綱化： dCQ=12cπR?CL+CDr3dr（ 219） 對(duì)于 N片槳葉來(lái)說(shuō)： dCQ=12??CL+CDr3dr（ 220） 沿展向積分得扭矩系數(shù)： CQ=12?01?CL+CDr3dr=12?01λCLr3+CDr2dr=（ 221） 根據(jù)選擇的翼型可以確定出升力系數(shù)和型阻系數(shù)，通過(guò)式（ 218）和式（ 221）可以確定出拉力系數(shù)和扭矩系數(shù)，然后通過(guò)下式： T=ρπR2ΩR2CT==ρπR3ΩR2CQ=?m（ 222） 即可得到旋翼拉力和反扭矩。由此得到的是上旋翼的拉力和反扭矩，而此旋翼系統(tǒng)是涵道共軸雙旋翼，上下旋翼存在干擾，下旋翼對(duì)上旋翼的干擾因?yàn)橄鄬?duì)小而可以忽略不計(jì)，但是上旋翼對(duì)下旋翼的干擾使得下旋翼產(chǎn)生的拉力大約為原來(lái)的 倍 [14]，所以下旋翼的拉力為T(mén)=。 操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 操縱機(jī)構(gòu)為涵道共軸雙旋翼，如圖 。涵道在機(jī)體中心，其中是共軸雙旋翼系統(tǒng)，上下旋翼各 4片槳葉。通過(guò)改變槳距操作可以使得飛行器以直升機(jī)的形式飛行，而機(jī)身整體是固定翼結(jié)構(gòu)而且?guī)в形餐坪托贝刮?，利用尾推的推力和垂尾的變距?作可以使得飛行器以固定翼模式飛行。這種構(gòu)型可以使得飛行器完成垂直起降、懸停、高速機(jī)動(dòng)等飛行動(dòng)作。此操縱機(jī)構(gòu)大部分采用鋁合金材料，其密度小，光潔度高，強(qiáng)度較高。 a)涵道共軸雙旋翼飛行器 b)旋翼系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 涵道共軸雙旋翼飛行器 旋翼拉力可由上一節(jié)得到，而旋翼離心力為： N=0RM/RΩ 2rdr=（ 223） 其中 M為槳葉質(zhì)量， M=120g。 至此得到了旋翼拉力和離心力，可以根據(jù)下面公式算出槳葉對(duì)槳轂最大拉力和最大離心力： Tmax=nfTNmax=Ω 2fN（ 224） 其中 n為槳葉片數(shù)， f為 安全系數(shù)（一般取 ）。 槳轂根部受到的最大彎矩： Mmax=0RTrdr=?m（ 225） 本章小結(jié) 本章通過(guò)學(xué)習(xí)的葉素法對(duì)旋翼載荷進(jìn)行了分析，并且通過(guò)分析結(jié)果算出了旋翼最大拉力和離心力。本章還介紹了操縱機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，操縱機(jī)構(gòu)為涵道共軸雙旋翼。 第三章 ARM處理器基本原理和開(kāi)發(fā)環(huán)境 引言 STM32 作為一款微控制器在無(wú)人機(jī)、航模等航空領(lǐng)域非常受歡迎，在各大高校也非常受研究人員的喜愛(ài)。它不僅在航空領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用而且在其他嵌入式領(lǐng)域也取得了廣泛運(yùn)用。本章主要 介紹了基于 ARM CortexM3內(nèi)核的 32位微控制器 STM32的基本原理及其開(kāi)發(fā)環(huán)境。 ARM處理器 ARM（ Advanced RISC Machines）公司于 1991年在英國(guó)劍橋成立，其主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。世界上有很多半導(dǎo)體生產(chǎn)商從 ARM 公司購(gòu)買(mǎi)他們的 ARM微處理器核，以 ARM 處理器為內(nèi)核的微處理器占據(jù)了 32位 RISC微處理器百分之 75以上的市場(chǎng)份額。 ARM處理器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我們的工作生活中。 ARM 處理器擁有許多的特點(diǎn)，其體積小、低功耗、低成本、高性能的優(yōu)點(diǎn)很受到開(kāi)發(fā)者的喜愛(ài)； ARM處理器可以支持 Thumb/ARM雙指令集，并且能夠很好的兼容 8位和 16位器件；ARM處理器大量的使用了寄存器，這可以使得其執(zhí)行指令的速度變快；尋址方式簡(jiǎn)單靈活，效率高。 ARM處理器有 ARM7系列、 ARM9系列、 ARM9E系列 ARM10E系列、 SecurCore系列、 ARM11系列及 Intel的 Xscale。其中， ARM ARM ARM9E和 ARM10E為四個(gè)通用的處理器系列，每一個(gè)系列都有一套相對(duì)獨(dú)特的性能來(lái)滿足不同領(lǐng)域的需求。 SecurCore 系列專門(mén)為安全要求高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。在 ARM11經(jīng)典處 理器之后的產(chǎn)品改用了 Cortex命名，并且分為了 A、 R、M三類，它們都在不同的市場(chǎng)提供服務(wù)。 隨著時(shí)間的推移， ARM7和 ARM9內(nèi)核越來(lái)越深入微控制器領(lǐng)域，引來(lái)了眾多的開(kāi)發(fā)工具對(duì)這些 CPU的支持，其中主要的開(kāi)發(fā)編譯平臺(tái)有 GCC、 Greenhills、 Keil、 IAR和 Tasking等。隨著 CortexM3 處理器的誕生，絕大部分的開(kāi)發(fā)工具都會(huì)迅速的更新以支持 Thumb2指令集。Keil MDK開(kāi)發(fā)工具源自德國(guó) Keil公司，被全球超過(guò) 10萬(wàn)的嵌入式開(kāi)發(fā)工程師驗(yàn)證和使用，是 ARM公司目前最新推出的針對(duì)各種嵌入式處理器的軟件開(kāi)發(fā)工具。目前 Keil MDK在國(guó)內(nèi)ARM開(kāi)發(fā)工具市場(chǎng)已達(dá)到百分之 90的占有率 [11]。 目前大部分網(wǎng)絡(luò) /電信制造商在積極地將下一代平臺(tái)遷移到 ARM平臺(tái)上來(lái)，在今后的幾年里ARM會(huì)越來(lái)越發(fā)展壯大。 STM32處理器 本文選取基于 CortexM3內(nèi)核的 STM32F103ZE微控制器， Cortex專為高性能與低耗能而設(shè)計(jì)，性價(jià)比高 [11]。其系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 ： 圖 STM32內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 該微控制器主要性能參數(shù)如下： 內(nèi)核選用了 32位 的 CortexTMM3 CPU，工作頻率最高達(dá) 72MHz[12]。 存儲(chǔ)器設(shè)置了從 256K到 512K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器和高達(dá) 64K字節(jié)的 SRAM，支持 CF卡、 SRAM、 PSRAM、 NOR及 NAND存儲(chǔ)器。 低功耗。設(shè)有睡眠、停機(jī)、待機(jī)三種模式， VBAT為 RTC和后備寄存器供電。 擁有 12通道 DMA控制器，支持定時(shí)器、 ADC、 DAC、 SDIO、 SPI、 USART等外設(shè)。 個(gè)多功能雙向的 I/O口都可以映像到 16個(gè)外部中斷，幾乎所有端口都可承受 5V信號(hào)。 擁有 4個(gè) 16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有 4個(gè)用于輸入捕獲、輸出比較、 PWM或者脈沖計(jì)數(shù)的通道和增量編碼器輸入。還擁有 2個(gè) 16 位帶死區(qū)控制和緊急剎車(chē)（用于電機(jī)控制）的PWM高級(jí)控制器定時(shí)器、 2個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器（獨(dú)立的和窗口型的）、 24位自減型計(jì)數(shù)器、 2個(gè)用于驅(qū)動(dòng) DAC的 16位基本定時(shí)器。 擁有 2個(gè) I2C接口、 5個(gè) USART接口、 3個(gè) SPI接口、 2個(gè)可復(fù)用為 I2S接口、 CAN接口、USB 、 SDIO接口。 STM32并不能獨(dú)立工作，它需要相關(guān)的外圍電路來(lái)構(gòu)成構(gòu)成最小系統(tǒng)，才能工作，包括 電源、 8MHz晶振時(shí) 鐘、復(fù)位電路、調(diào)試接口等。 飛控板上芯片需要的供電電壓主要有 +5V 和 +，根據(jù)飛控計(jì)算機(jī)對(duì)電壓和電流的需求，選用一款輸出電壓 +12V，容量為 2021毫安時(shí)的電池為其供電，采用 DCDC 模塊實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。 根據(jù)功耗分析，選擇了 LM25965開(kāi)關(guān)電源芯片實(shí)現(xiàn) +12V轉(zhuǎn) +5V。 LM25965開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，開(kāi)關(guān)頻率為 150KHz，可調(diào)輸入電壓范圍為 ~37V，能夠輸出 3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。電路如圖 。 圖 +12V轉(zhuǎn) +5V電壓轉(zhuǎn)換模塊電路圖 電源電路選用 ，它是一款含正電壓輸出的低壓降三段線性穩(wěn)壓電路的芯片，將5V電壓轉(zhuǎn)為 。如圖 ，圖中 C2 C7 C74可以確保 。 圖 芯片電源電路 時(shí)鐘電路是整個(gè)微處理器的心臟，控制著處理器工作的節(jié)奏，起著產(chǎn)生時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)微控制器的作用。 STM32內(nèi)部自帶 RC振蕩器，可以為內(nèi)部 PLL供給時(shí)鐘，這樣 STM32依靠?jī)?nèi)部振蕩器就可以在 72MHz的滿速狀況下運(yùn)行。但是內(nèi)部 RC振蕩器相比外部晶振來(lái)說(shuō)不夠準(zhǔn)確，同時(shí)也不夠穩(wěn)