矢量二旋翼的设计与调试

河北工程大学 河北 邯郸 056004

一、矢量二旋翼飞行器的设计

1.1 图纸的设计 飞机机身的设计主要由载运筐设计,机臂设计,投放设计,底座设计四部分组成。载运筐设计考虑因素：载运物品的体积与重量,飞控放置位置,整体重心等。机臂设计考虑因素：螺旋桨的直径,升力对载运筐的最佳力矩,电机及螺旋桨对飞机整体的重心影响。投放设计考虑因素：投放效果稳定,强度满足载运需要等。底座设计考虑因素：飞机起飞与降落稳定,占地面积小等。

飞行器制作时,考虑到其经济性和易操控性,选择了航空轻木层板作为飞行器机身的主要材料。结构方面,使用航空轻木层板作为整体的骨架,并用质量轻硬度高的碳棒进行安装定位和加固机身。飞行器零件雕刻完成后,按顺序排好,进行飞机的拼装工作。制作完成后,检查载运筐强度是否达到,机臂与机身是否两边等长、水平共线,投放装置是否稳定,底座是否与地面自然接触,飞机整体重心是否位于两机臂中垂线上且处于两机臂下方。检查无误后,便可以安装电装和调试了。

倾转结构作为矢量二旋翼飞行器上受力最大的部分,设计时应在尽量控制飞行器空重的前提下必须进行加固。此处我们采用了硬度高的碳纤维管作为主轴,并且整体结构采用航空轻木层板。倾转结构上安装了作为飞行器动力的电机和螺旋桨,通过驱动舵机使桨平面倾转50－70度,并且舵机和电机座之间通过拉杆连接,以减小虚位。拉杆与耳片的连接处需要进行加固,即将耳片外部贴一层碳片,以此起到增强耐久性的目的。制作完成后对其进行强度、稳定性、耐久性的检验。

1.2 电装的选择 本次设计采用的执行电机为无刷直流电机,相比于传统有刷直流电机,无刷直流电机的可控性强、运行效率高,具有优越的机械特性。根据厂商提供的数据,朗宇Sunnysky V4006 740kv无刷电机在搭配朗宇EOLO 1555桨和4S动力电池使用时,最大可以达到2300g的拉力。飞行器在垂直起降模式时,2个电机最大可以产生约4600g的拉力。本次的舵机使用在了改变飞行方向的倾转结构处,该处的舵机直接与电机座连接,从而导致受力非常大,且该处舵机对旋转角度要求比较精准。还有重要的一点是,倾转结构的强度直接影响飞机PID的调校和飞机整体的稳定性,而高强度的舵机则会有效提高整体倾转结构的强度。综上所述,采用扭矩大虚位小的金属齿ES3054数字舵机。

二、矢量二旋翼飞行器的调试

2.1 F3飞控的研究 F3飞控接线常用的有两种方式：①PWM接线,接线方式复杂,但对接收机要求小,一般接收机都适用；②SBUS接线,接线方式简单,但对接收机要求大,只能使用支持SBUS的接收机。

在bf地面站主界面里我们常用的有“PID调校”、“舵机”、“CLI命令行”等模块。“舵机”阶段通过调节舵机参数使飞行器的倾转结构达到水平状态。要注意倾转结构的舵机必须处于水平状态,否则飞行器起飞后将发生偏移,使之偏离预定航线。注意试飞前一定要校准,即方向校准、水平校准、磁罗盘校准和油门校准。

2.2 PID调校

2.2.1 PID分析 PID调校的实时数据通过地面站的“黑匣子”记录,PID－Analyzer软件的分析,blackbox－Explorer软件的研究,最终变成我们所需的数据。进行PID－Analyzer软件的分析时,第一步就是要正确设置飞机参数,设置恰当的滤波,并关掉所有的动态影响pid的函数。具体的做法就是,①反重力系数设定到1；②D setpoint Weight＝0；③TPA＝0；④电池电压补偿打开。第二步就是打开blackbox黑匣子数据页面,选择合适的存储方式,如果有板载缓存就选择板载芯片,有SD卡就选择SD卡。同时需要选择正确的采样率,通常来说采样率越高越好,但是越高的采用率对存储空间的占用也很大,通常至少是陀螺仪采样率的1/8。第三步就是出去测试和飞行,采集数据。收集完数据和Analyzer软件分析之后,就会形成若干张分析图,接下来便是针对分析图做出合理的分析,进行PID的调校,优化飞行。

PID 分析图

针对此图做出进一步的分析,第一行,黄线反应的是输入到PID loop中的RC摇杆命令,蓝线反映的是陀螺仪的响应情况。如果重合度很高,就表示飞行器调的非常跟手了。第二行,反映的是整个飞行日志中的油门分布情况,红线表示的是TPA的breakpoint。第三行,反应的是根据油门值而分立的阶跃响应,读法是这样的：黄色＝2,绿色＝1,蓝色＝0。第四行,也是最关键的一行,显示的是阶跃反应图像,蓝色的线反映的是角速度低于500°/s时的pid平均反应情况。首先应该把D和I都降低下来,慢慢加P,直到图像中刚好开始产生适当多个自激振荡为止；加I,使图像整体大概收敛于1；加D,抑制掉P产生的自激震荡,调试完成。

2.2.2 滤波设置 任何滤波器都会为信号增加相移(延迟),通常来说这对于不同频率所产生的延迟是不同的。将此相移添加到最关键的时间相会改变控制器的行为。首先在地面站上把两个notch滤波关了,把低通滤波改成PT1保存；其次开启“动态滤波”保存；最后把pid和gyro频率都改成4khz。注意调校后的初次飞行需时刻查看电机温度。滤波值越高,飞行效果可能越好,但也会导致更多的信号“噪音”进入电机。100Hz是默认较佳的数值,但如果震动现象严重,可以尝试把Dterm和Gyro滤波器降低到50Hz。

2.2.3 CLI命令行 命令行CLI在选项菜单的最下面,点击进入命令行配置页面,输入help回车,进入关键字。其中可能常用到的有resource,feature,motor,get,set等。注意：设置完成后,输入命令：save回车,保存参数,自动重启后设置生效。

(1)电机、舵机设置：

resource MOTOR 1 A06 ＃物理映射左马达的控制信号到MCU的A06管脚(1号插钉)

resource MOTOR 2 A07 ＃物理映射右马达的控制信号到MCU的A07管脚(2号插钉)

resource MOTOR 5 NONE ＃解除5号插钉的物理管脚映射,以备左舵机使用

resource MOTOR 6 NONE ＃解除6号插钉的物理管脚映射,以备右舵机使用

resource SERVO 1 B08 ＃物理映射左舵机的控制信号到MCU的B08管脚(5号插钉)

resource SERVO 2 B09 ＃物理映射右舵机的控制信号到MCU的A12管脚(6号插钉)

(2)复位电机、舵机混合器：

mmix reset ＃复位电机混合器

mmix 0 1.000 1.000 0.000 0.000 ＃定义左电机对油门100%响应,横滚正向100%响应

mmix 1 1.000－1.000 0.000 0.000 ＃定义右电机对油门100%响应,横滚反向100%响应

smix rese ＃复位舵机混合器

smix 0 2 2－100 0 0 100 0 ＃定义1号舵机偏航反向100%响应

smix 1 2 1 100 0 0 100 0 ＃定义1号舵机对俯仰正向100%响应

smix 2 3 2－100 0 0 100 0 ＃定义2号舵机偏航反向100%响应

smix 3 3 1－100 0 0 100 0 ＃定义2号舵机对俯仰反向100%响应

(3)改方向设置：

smix reverse 4 2 r ＃定义4号舵机偏航反转

smix reverse 5 1 r ＃定义5号舵机俯仰反转

smix reverse 5 2 r ＃定义5号舵机偏航反转

三、结束语

由于矢量二旋翼具有无可比拟的优势,在军事和民用方面都有着广阔的应用前景,因此具有重要的研究价值。本文从飞行器的结构设计和飞控调节进行了详细的研究,得出了进一步结论。