安卓手機遙控電動A4紙折微型飛行器總體設計

郝旭陽 徐金寶 曹文璟

摘 要：文章設計的微型飛行器是在A4紙折出的紙飛機基礎上，按照固定翼飛行器飛行原理，搭載飛行控制機構進行飛行的。此飛行控制機構是以STM8微控制器為核心控制單元，614微型馬達保障飛行動力，電磁舵機實現方向控制。為了使A4紙折飛行器正常飛行，采用了最優化各個模塊的方法。通過設計制作機械結構和對上位機以及下位機的編程，做了使用安卓手機控制飛行的實驗，實驗結果驗證和確定了總體設計方案的可行性。

關鍵詞：A4紙；微型飛機器；安卓手機；總體設計；關鍵結構；飛行實驗

1 概述

1.1 微型飛行器簡介

微型飛行器（MAV： Micro Air Vehicle）是一種新興的航空器，被稱為未來戰場上重要偵察和攻擊武器。固定翼微型飛行器是微型飛行器中最常見的一類MAV，機體使用A4紙折出的飛機，搭載設計出來的飛行控制機構，不僅極具創新，而且飛行控制機構可拆卸，達到反復利用的目的。

1.2 文章的研究內容

文章主要從A4紙飛機飛行的理論基礎及A4紙飛機機翼特殊處理方法，關鍵結構的機械設計，電氣設計，程序設計四個方面對A4紙折微型飛行器作了總體設計。

2 A4紙飛機飛行的理論基礎及A4紙飛機機翼特殊處理方法

2.1 A4紙飛機飛行的理論基礎

普通固定翼飛機側剖面的上緣向上拱起，下緣基本平直。氣流吹過機翼上下表面同時到達后端，由于上緣弧度大，弧長較長，所以經過上緣的氣流速度比經過下緣的速度快。按照伯努利方程：同樣是流過某個表面的流體，速度快的對這個表面產生的壓強要小。因此可以得出機翼上表面受到的壓強小于下表面受到的壓強，這樣一來就產生了升力。由于A4紙飛機的速度較小，暫不考慮低雷諾數。

2.2 機翼特殊處理

將上述普通固定翼飛機的飛行原理應用于此飛行器：用剪刀將A4紙折出來的紙飛機機翼后部剪成兩段向上翹起的結構，此時給紙飛機一個向前的推力，紙飛機便有升空的趨向。

3 微型飛行器關鍵結構的機械設計

3.1 支架

根據A4紙折飛機的結構，設計了固定支架，前端搭載電路板及微型電池，后端安裝電磁舵，微型馬達及螺旋槳，將此支架夾在A4紙折飛機的前端。

3.2 馬達

采用614空心杯電機，其轉速高，供電3.7V時轉速可達55000r/min，長度14mm，直徑6mm，軸長4mm，軸徑0.75mm，重約2g。

3.3 螺旋槳

螺旋槳參數為：直徑46mm，孔徑1mm

3.4 電磁舵機

控制舵機在飛行器和航行器的控制中發揮著重要的作用，最為典型的用途當屬潛行器和航行器的方向舵和升降舵。通過近似計算和參數整定以及若干次實驗，最終采用了如下參數的電磁舵為方向舵：重量0.5g，搖臂孔徑0.6mm，線圈阻值約60歐姆，4V工作時電流80mA。

3.5 電池

為減輕重量，選用了蓄電量為75mah的聚合物鋰電池，尺寸17mm*15mm*6.5mm，重量為0.0025g。

4 電氣設計

4.1 主控及其下載電路

采用STM8S103F3P6作為主控制器，該單片機CPU最高速度16MHZ，EEPROM 128B，擁有16個I/O，串行接口有SPI、I2C、UART，最低功耗模式為5UA，電源電壓范圍2.95～5.5V，FLASH 8KB，RAM 1KB，工作溫度范圍-40～+85℃。由于需要若干次調試，所以設計了帶有USB MICRO的下載電路方便程序的下載，可以用安卓數據線進行下載，同時可以使用5V電源給電池充電。

4.2 電源

由于微型電池電壓為3.7V，可以直接供給主控和驅動電路，但是供給藍牙時，需加一個降壓二極管。

4.3 藍牙

使用HC06藍牙2.0進行手機與紙飛機的通信，藍牙2.0傳輸率約在1.8M/s～2.1M/s范圍內，有雙工的工作方式。藍牙參數：低電壓3.3V工作（3.1V-3.7V）不大于50MA，與手機通信距離可達20M。

4.4 電機驅動

使用SI2302增強型N溝道MOS，最大可過2.5A電流。漏極和源極之間有一個寄生二極管，在驅動感性負載（如馬達），這個二極管很重要。根據NMOS的特性，VGS大于一定的值就會導通，適用于源極接地的情況（低端驅動），柵極電壓達到3V或10V。STM8產生PWM波輸入電機驅動，電機驅動產生相應的電壓控制馬達，使得可以控制安卓手機油門的高低決定馬達的轉速。

4.5 電磁舵機的控制電路

由于電磁舵機的電流較小，且工作電壓為3V-5V，所以使用STM8的普通IO口輸出高低電平直接控制電磁舵。

4.6 電路板制作參數選取

由于要求電路板重量小，電路板大小為1.9cm*1.7cm，板子厚度為0.6mm，電路板制作出來重量為1g。

5 程序

遙控器使用安卓手機，極大的減輕了制作遙控器硬件系統的工作，而且攜帶方便，上位機使用Java編程語言，控制通道包括油門和方向。單片機端程序使用C語言進行編程，根據串口接收的數據（即遙控器所發送的控制指令），對電機和電磁舵進行控制。程序包括串口波特率設定（與藍牙波特率一致），PWM參數設定，IO口初始化，串口數據收發。

6 結論與展望

6.1 結論

南京工程學院計算機工程學院成功研制了A4紙折微型飛行器，可在室內進行控制飛行，這一成果充分的表明了文章論述的正確性。A4紙折微型飛行器的設計制作是一項具有重要應用價值的工作。文章主要敘述了對A4紙折微型飛行器機翼特殊處理、 關鍵結構設計制作、 電氣設計、軟件設計等研究工作，為微小尺寸飛行器的制作貢獻瘠薄之力。

文章主要完成了以下重要的工作：（1）設計了電動A4紙折微型飛行器能夠飛行的機翼；（2）完成了A4紙折微型飛行器的關鍵結構的設計；（3）完成了主控及下載電路、電源電路、藍牙電路、驅動電路、電磁舵控制電路的設計；（4）完成了安卓手機遙控以及單片機程序的設計。

6.2 未來的工作

文章基本完成了A4紙折微型飛行器總體方案的設計與實際制作。但是，要使微型飛行器設計進入有應用價值的階段， 還有很多工作要做：電池續航能力的提升，微型攝像頭的安裝與圖像的傳回，抗風性能的提升。繼續深入研究飛機飛行穩定性時則需進行細致的風洞實驗。

參考文獻

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[5]基于無刷電機的航模系統的研究[D].武漢理工大學，2008.

作者簡介：郝旭陽（1992-），男，江蘇徐州，本科，研究方向：嵌入式系統。

徐金寶（1970-），男，江蘇南京，副教授，研究方向：軟件工程。

曹文 （1995-），女，江蘇南通，本科，研究方向：自動化。