无人直升机平台设计与硬件选型解析

### 无人直升机平台设计与硬件选型解析 #### 1. 基于虚拟设计环境的设计理念 在无人直升机的设计中，虚拟设计环境（VDE）有着显著优势。使用SolidWorks软件，其具有以下特点： - **易于使用**：用户通过简短的自主训练，依据关键教程和示例，就能熟悉软件功能。 - **强大的3D和2D设计**：能精准塑造所选组件的3D虚拟模型，确定其形状、大小和颜色。创建3D虚拟组件时，还会同时生成相关的2D视图和蓝图，这对机械制造或修改至关重要。 - **精确的物理描述**：可对每个虚拟组件进行参数化，设置必要的物理参数，如尺寸、重量等。软件还能生成一些无法直接测量的参数，如重心位置和不规则表面面积。 - **动画功能**：对于可移动或旋转的组件，能通过集成的动画功能模拟其运动，为设计师在组件集成过程中提供直观的可视化效果。 这种基于VDE的设计理念，能助力快速、顺利地构建现实中的无人直升机。例如，精心构建的虚拟SheLion模型，为现实中SheLion的建造奠定了基础。 #### 2. 硬件组件选择 一个功能完备的旋翼无人机系统，主要包含以下硬件组件： - RC旋翼机 - 用于收集飞行数据、执行自动控制律并与地面站通信的航空电子系统 - 由飞行员和无线操纵杆组成的手动控制系统 - 用于监测无人机飞行状态并与航空电子系统通信的地面站系统 ##### 2.1 RC直升机 为SheLion选择的是Raptor 90 SE直升机，其关键规格如下表所示： | 规格 | Raptor 90 SE直升机 | | --- | --- | | 机身长度 | 1.39 m | | 主旋翼跨度 | 1.41 m | | 尾旋翼跨度 | 0.25 m | | 飞行续航时间 | 15分钟 | | 空载重量 | 5.95 kg | | 最大起飞重量 | 11 kg | | 齿轮比（主旋翼:发动机:尾旋翼） | 1:8.45:4.65 | | 机身材料 | 碳纤维 | | 动力源 | 硝基燃料 | 选择该直升机的主要原因有： - **低成本高性能**：与大多数II型RC旋翼机相比，价格约为一半，但飞行性能相当，结构设计可靠。 - **出色的机动性**：最初为特技飞行设计，在RC爱好飞行圈中以敏捷和机动性著称。 - **足够的有效载荷**：最大起飞重量为11 kg，扣除空载重量后，有效载荷超过5 kg，超出了航空电子系统、起落架和减震器总计4 kg的预算重量。 其工作原理标准，被爱好者广泛采用。通过五个数字伺服执行器接收控制信号并驱动直升机的各个控制面： - **副翼伺服**：产生驱动信号δlat，负责斜盘的左右倾斜运动，改变主旋翼叶片的循环桨距角，实现滚动和横向平移。 - **升降舵伺服**：驱动信号δlon，控制斜盘的前后倾斜运动，改变主旋翼叶片的循环桨距角，产生俯仰运动和纵向平移。 - **总距伺服**：通过驱动信号δcol改变斜盘的垂直位置，改变主旋翼叶片的总距角，实现升降运动。 - **方向舵伺服**：产生驱动信号δped，与工厂安装的偏航率反馈控制器配合，通过控制尾旋翼叶片的总距角实现偏航率和航向控制。 - **油门伺服**：与RC发动机调速器配合，控制主旋翼的恒定转速。在相关工作中，油门伺服预设为产生恒定转速，不用于自动控制回路。 此外，RC直升机常采用Bell - Hiller稳定杆与斜盘配合，以实现所需的旋翼挥舞响应。 ##### 2.2 飞行控制计算机 飞行控制计算机是航空电子系统的核心，主要功能包括： - 分析机载传感器和视觉计算机提供的各种飞行数据 - 执行飞行控制律 - 与地面站通信 - 将飞行数据记录到CF卡，用于飞行后分析 对于SheLion，选择的是嵌入式计算机板PC/104 ATHENA，原因如下： - **尺寸小**：尺寸为96 mm × 90 mm × 10 mm，便于携带。 - **重量轻**：连接所有电线和电缆后，总重量为140 g。 - **处理速度足够**：处理速度为500 MHz，远超机载软件系统的要求。 -