【正文】 南京航空航天大學(xué) 畢業(yè)論文 題目涵道共軸旋翼系統(tǒng)操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計與控制 學(xué)生姓名白璟杰 學(xué)號 011210230 學(xué)院航空宇航學(xué)院 專業(yè)飛行器設(shè)計與工程 班級 0112102 指導(dǎo)教師徐錦法教授 二〇一六年六月 南京航空航天大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）誠信承諾書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）（題目：涵道共軸旋翼系統(tǒng)操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計與控制）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的成果。盡本人所知，除了畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 作者簽名： 年月日 （學(xué)號）： 涵道共軸旋翼系統(tǒng)操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計與控制 摘要 本文介紹了涵道共軸旋翼無人飛行器在國內(nèi)與國外的發(fā)展近況，通過葉素法對旋翼載荷進(jìn)行了分析，完成了操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計，操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計為涵道共軸雙旋翼。隨后介紹了 ARM處理器以及 STM32 微控 制器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了 STM32運行所需的最小系統(tǒng)電路，介紹了 PWM 輸入捕獲、 USART串口以及 PWM輸出模塊，并對 PWM輸出進(jìn)行了初始化配置設(shè)置。隨后完成了舵機(jī)指令的標(biāo)定和控制通道指令的分配。根據(jù) PWM輸出信號的脈沖寬度與舵機(jī)轉(zhuǎn)角的線性關(guān)系對舵機(jī)指令進(jìn)行標(biāo)定，完成了對控制通道指令的分配。最后通過電調(diào)控制旋翼轉(zhuǎn)速，分析了 PWM脈沖寬度與轉(zhuǎn)速之間的線性關(guān)系。 關(guān)鍵詞： 涵道共軸雙旋翼；飛控系統(tǒng)； STM32； PWM The Design and Control of the Control Mechanism of Ducted Coaxial Rotor System Abstract This paper introduces the development status of the ducted coaxial rotor UAV around the world. It analyses the rotor blade element load. The mechanism is a ducted coaxial rotor aircraft the overall structure of which is similar to the fixed wing aircraft. It has tail push. Then the structure of ARM processor and STM32 microcontroller is introduced. The design of the minimum system circuit for STM32 was pleted. The PWM input capture, USART serial port and PWM output module are introduced. The PWM module was initialized by using the base function. According to the linear relationship between the pulse width of the PWM signal and the steering angle, the standard of the steering mand was finished. The distribution of the control channel mands was finished. Finally, rotor speed was controlled by ESC (Electronic Speed Control), and the linear relationship between the pulse width and the rotational speed of PWM is analyzed. Key Words: Ducted coaxial rotor。 Flight control system。 STM32。 PWM 目錄 摘要 ????????? i Abstract ………………………ii 第一章緒論 ????????? 1 ????????? 1 ????????? 1 ????????? 1 ????????? 3 ????????? 4 第二章旋翼載荷分析與操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計 ????????? 5 引言 ????????? 5 旋翼載荷分析 ????????? 5 操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計 ????????? 8 本章小結(jié) ????????? 8 第三章 ARM處理器基本原理和開發(fā)環(huán)境 ????????? 10 引言 ????????? 10 ARM處理器 ????????? 10 STM32處理器 ????????? 11 本章小結(jié) ????????? 14 第四章處理器控制板輸入輸出配置 ????????? 15 引言 ????????? 15 控制器硬件 ????????? 15 USART串口通信 ????????? 15 PWM輸入捕獲 ????????? 17 PWM信號 ????????? 17 ????????? 18 PWM脈寬測量定時器設(shè)置 ????????? 19 PWM輸入捕獲處理 ????????? 20 PWM輸出 ????????? 20 設(shè)置 RCC時鐘 ????????? 24 設(shè)置 GPIO ????????? 24 設(shè)置 TIMx定時器相關(guān)寄存器 ????????? 24 設(shè)置 TIMx定時器 PWM相關(guān)寄存器 ????????? 25 ????????? 25 第五章舵機(jī)分配及槳距標(biāo)定 ????????? 26 引言 ????????? 26 舵機(jī)的控制 ????????? 26 舵機(jī)指令標(biāo)定 ????????? 27 控制通道指令分配 ????????? 27 本章小結(jié) ????????? 29 第六章旋翼轉(zhuǎn)速控制 ????????? 30 引言 ????????? 30 電子調(diào)速器 ????????? 30 旋翼轉(zhuǎn)速控制 ?? ??????? 31 第七章總結(jié)與展望 ????????? 32 已完成的工作 ????????? 32 存在的問題 ????????? 32 展望 ????????? 32 參考文獻(xiàn) ????????? 33 致謝 ????????? 34 第一章緒論 涵道飛行器的研制開始于上世紀(jì) 80 年代，涵道飛行器的旋翼被包在涵道內(nèi)，可以很好地起到保護(hù)旋翼的作用，而且涵道可以為飛行器提供更佳的氣動力，可以提高飛行器的氣動效率，而且產(chǎn)生的噪聲比較小。涵道共軸雙旋翼飛行器上下兩個旋翼轉(zhuǎn)向相反，可以 將旋翼產(chǎn)生的反扭矩相互抵消，而且可以使得飛行器結(jié)構(gòu)更加緊湊，地面安全性提高。涵道共軸雙旋翼飛行器的尺寸較小、成本低并且機(jī)動性能好，其能夠在惡劣的環(huán)境下飛行。這引起了各國研究者的重視。 目前，世界很多國家都在對涵道飛行器和共軸旋翼飛行器進(jìn)行研究，但是對于涵道共軸飛行器這一結(jié)合了兩者優(yōu)點的飛行器的研究卻不是很多。涵道共軸飛行器上旋翼與下旋翼之間存在著干擾，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。對于這樣一種在巡邏、監(jiān)視、偵查、通訊、航拍等各個領(lǐng)域都有需求的飛行器來說完善對其的研究是非常重要的。 況 上世紀(jì) 80年代，美國的桑迪亞實驗室依據(jù)海軍陸戰(zhàn)隊的要求進(jìn)行了“空中遠(yuǎn)程遙控裝置”的研制，開發(fā)出了首架垂直起降的涵道飛行器。 1992 年，美國啟動了多用途安全與監(jiān)視任務(wù)平臺，最終采用了美國西科斯基研制的高性能涵道共軸無人直升機(jī) Cypher，如圖 。 圖 西科斯基 Cypher 法國伯蒂公司也在近 5年中研制出了一種垂直起降的涵道無人機(jī) 懸停眼（ HoverEye），如圖。 圖 Hovereye 2021 年，美國啟動了建制無人機(jī)計劃。美國國防高級研究計劃局要求無人機(jī)以涵道 飛行器結(jié)構(gòu)為主并且具有垂直起降和懸停的能力。最終美國阿德萊德公司的涵道無人飛行器 iSTAR入圍而且該飛行器在 2021年以完成試飛，如圖 。 圖 阿德萊德公司的 iSTAR 霍尼韋爾公司通過與美國陸軍和美國國防高級研究計劃局的合作研制出了微型無人機(jī)（ MAV），如圖 。 圖 我國對于涵道共軸旋翼飛行器研究起步工作較晚，對于這方面的文獻(xiàn)較少，大多都是對涵道共軸雙旋翼流場分析，如研究了懸停涵道共軸雙旋翼干擾流動數(shù)值模擬的參考文獻(xiàn)，研究了涵道共軸多旋翼飛行器的建模和控制的文獻(xiàn) [3]，及對于涵道共軸雙旋翼前飛氣動特性與試驗優(yōu)選設(shè)計的研究 [4]，還有對于涵道風(fēng)扇共軸式無人直升機(jī)操穩(wěn)特性的研究 [6]。 圖 “飛鴻”涵道式旋翼無人飛行器 2021 年第三屆中國天津國際直升機(jī)博覽會上中航工業(yè)帶來了多款最新研制的直升機(jī)參展?！帮w鴻”涵道式旋翼無人飛行器，如圖 。它具有垂直起降、懸停 、短距起飛和大速度前飛等能力。其布局上以固定翼飛機(jī)的構(gòu)型為基礎(chǔ)，加入了涵道共軸雙旋翼系統(tǒng)。全機(jī)重量60kg，航程和最大平飛速度分別為 40km和 100km/h。它具有良好的氣動外形、高效的氣動力特性以及特殊開發(fā)的飛行控制系統(tǒng)，可執(zhí)行偵查、監(jiān)視、目標(biāo)獲取等任務(wù)。 本文通過旋翼載荷分析對操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，然后運用 STM32 微型控制器對涵道共軸旋翼系統(tǒng)進(jìn)行上下旋翼轉(zhuǎn)速控制以及旋翼變距控制，主要內(nèi)容為： （ 1）通過葉素法對旋翼載荷進(jìn)行分析，操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計； （ 2） ARM處理器基本原理和開發(fā)環(huán)境； （ 3）處理器控制板輸入輸出配置； （ 4）舵機(jī)分配與槳距標(biāo)定； （ 5）上下旋翼轉(zhuǎn)速控制。 第二章旋翼載荷分析與操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計 引言 本章主