安卓手机遥控电动A4纸折微型飞行器总体设计

郝旭阳 徐金宝 曹文璟

摘 要：文章设计的微型飞行器是在A4纸折出的纸飞机基础上，按照固定翼飞行器飞行原理，搭载飞行控制机构进行飞行的。此飞行控制机构是以STM8微控制器为核心控制单元，614微型马达保障飞行动力，电磁舵机实现方向控制。为了使A4纸折飞行器正常飞行，采用了最优化各个模块的方法。通过设計制作机械结构和对上位机以及下位机的编程，做了使用安卓手机控制飞行的实验，实验结果验证和确定了总体设计方案的可行性。

关键词：A4纸；微型飞机器；安卓手机；总体设计；关键结构；飞行实验

1 概述

1.1 微型飞行器简介

微型飞行器（MAV： Micro Air Vehicle）是一种新兴的航空器，被称为未来战场上重要侦察和攻击武器。固定翼微型飞行器是微型飞行器中最常见的一类MAV，机体使用A4纸折出的飞机，搭载设计出来的飞行控制机构，不仅极具创新，而且飞行控制机构可拆卸，达到反复利用的目的。

1.2 文章的研究内容

文章主要从A4纸飞机飞行的理论基础及A4纸飞机机翼特殊处理方法，关键结构的机械设计，电气设计，程序设计四个方面对A4纸折微型飞行器作了总体设计。

2 A4纸飞机飞行的理论基础及A4纸飞机机翼特殊处理方法

2.1 A4纸飞机飞行的理论基础

普通固定翼飞机侧剖面的上缘向上拱起，下缘基本平直。气流吹过机翼上下表面同时到达后端，由于上缘弧度大，弧长较长，所以经过上缘的气流速度比经过下缘的速度快。按照伯努利方程：同样是流过某个表面的流体，速度快的对这个表面产生的压强要小。因此可以得出机翼上表面受到的压强小于下表面受到的压强，这样一来就产生了升力。由于A4纸飞机的速度较小，暂不考虑低雷诺数。

2.2 机翼特殊处理

将上述普通固定翼飞机的飞行原理应用于此飞行器：用剪刀将A4纸折出来的纸飞机机翼后部剪成两段向上翘起的结构，此时给纸飞机一个向前的推力，纸飞机便有升空的趋向。

3 微型飞行器关键结构的机械设计

3.1 支架

根据A4纸折飞机的结构，设计了固定支架，前端搭载电路板及微型电池，后端安装电磁舵，微型马达及螺旋桨，将此支架夹在A4纸折飞机的前端。

3.2 马达

采用614空心杯电机，其转速高，供电3.7V时转速可达55000r/min，长度14mm，直径6mm，轴长4mm，轴径0.75mm，重约2g。

3.3 螺旋桨

螺旋桨参数为：直径46mm，孔径1mm

3.4 电磁舵机

控制舵机在飞行器和航行器的控制中发挥着重要的作用，最为典型的用途当属潜行器和航行器的方向舵和升降舵。通过近似计算和参数整定以及若干次实验，最终采用了如下参数的电磁舵为方向舵：重量0.5g，摇臂孔径0.6mm，线圈阻值约60欧姆，4V工作时电流80mA。

3.5 电池

为减轻重量，选用了蓄电量为75mah的聚合物锂电池，尺寸17mm*15mm*6.5mm，重量为0.0025g。

4 电气设计

4.1 主控及其下载电路

采用STM8S103F3P6作为主控制器，该单片机CPU最高速度16MHZ，EEPROM 128B，拥有16个I/O，串行接口有SPI、I2C、UART，最低功耗模式为5UA，电源电压范围2.95～5.5V，FLASH 8KB，RAM 1KB，工作温度范围-40～+85℃。由于需要若干次调试，所以设计了带有USB MICRO的下载电路方便程序的下载，可以用安卓数据线进行下载，同时可以使用5V电源给电池充电。

4.2 电源

由于微型电池电压为3.7V，可以直接供给主控和驱动电路，但是供给蓝牙时，需加一个降压二极管。

4.3 蓝牙

使用HC06蓝牙2.0进行手机与纸飞机的通信，蓝牙2.0传输率约在1.8M/s～2.1M/s范围内，有双工的工作方式。蓝牙参数：低电压3.3V工作（3.1V-3.7V）不大于50MA，与手机通信距离可达20M。

4.4 电机驱动

使用SI2302增强型N沟道MOS，最大可过2.5A电流。漏极和源极之间有一个寄生二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。根据NMOS的特性，VGS大于一定的值就会导通，适用于源极接地的情况（低端驱动），栅极电压达到3V或10V。STM8产生PWM波输入电机驱动，电机驱动产生相应的电压控制马达，使得可以控制安卓手机油门的高低决定马达的转速。

4.5 电磁舵机的控制电路

由于电磁舵机的电流较小，且工作电压为3V-5V，所以使用STM8的普通IO口输出高低电平直接控制电磁舵。

4.6 电路板制作参数选取

由于要求电路板重量小，电路板大小为1.9cm*1.7cm，板子厚度为0.6mm，电路板制作出来重量为1g。

5 程序

遥控器使用安卓手机，极大的减轻了制作遥控器硬件系统的工作，而且携带方便，上位机使用Java编程语言，控制通道包括油门和方向。单片机端程序使用C语言进行编程，根据串口接收的数据（即遥控器所发送的控制指令），对电机和电磁舵进行控制。程序包括串口波特率设定（与蓝牙波特率一致），PWM参数设定，IO口初始化，串口数据收发。

6 结论与展望

6.1 结论

南京工程学院计算机工程学院成功研制了A4纸折微型飞行器，可在室内进行控制飞行，这一成果充分的表明了文章论述的正确性。A4纸折微型飞行器的设计制作是一项具有重要应用价值的工作。文章主要叙述了对A4纸折微型飞行器机翼特殊处理、 关键结构设计制作、 电气设计、软件设计等研究工作，为微小尺寸飞行器的制作贡献瘠薄之力。

文章主要完成了以下重要的工作：（1）设计了电动A4纸折微型飞行器能够飞行的机翼；（2）完成了A4纸折微型飞行器的关键结构的设计；（3）完成了主控及下载电路、电源电路、蓝牙电路、驱动电路、电磁舵控制电路的设计；（4）完成了安卓手机遥控以及单片机程序的设计。

6.2 未来的工作

文章基本完成了A4纸折微型飞行器总体方案的设计与实际制作。但是，要使微型飞行器设计进入有应用价值的阶段， 还有很多工作要做：电池续航能力的提升，微型摄像头的安装与图像的传回，抗风性能的提升。继续深入研究飞机飞行稳定性时则需进行细致的风洞实验。

参考文献

[1]15厘米固定翼微型飞行器总体设计与性能分析[D].南京航天航空大学.

[2]微型飞行器MAV250总体设计及其腹部着陆动力仿真[D].西北工业大学.

[3]android开发实战[M].清华大学出版社，2013.

[4]刘海成，叶树江，郭强，stm8单片机原理与实践[M].北京：北京航天航空大学出版社，2013.

[5]基于无刷电机的航模系统的研究[D].武汉理工大学，2008.

作者简介：郝旭阳（1992-），男，江苏徐州，本科，研究方向：嵌入式系统。

徐金宝（1970-），男，江苏南京，副教授，研究方向：软件工程。

曹文 （1995-），女，江苏南通，本科，研究方向：自动化。