矢量二旋翼的設計與調試

河北工程大學 河北 邯鄲 056004

一、矢量二旋翼飛行器的設計

1.1 圖紙的設計 飛機機身的設計主要由載運筐設計,機臂設計,投放設計,底座設計四部分組成。載運筐設計考慮因素：載運物品的體積與重量,飛控放置位置,整體重心等。機臂設計考慮因素：螺旋槳的直徑,升力對載運筐的最佳力矩,電機及螺旋槳對飛機整體的重心影響。投放設計考慮因素：投放效果穩定,強度滿足載運需要等。底座設計考慮因素：飛機起飛與降落穩定,占地面積小等。

飛行器制作時,考慮到其經濟性和易操控性,選擇了航空輕木層板作為飛行器機身的主要材料。結構方面,使用航空輕木層板作為整體的骨架,并用質量輕硬度高的碳棒進行安裝定位和加固機身。飛行器零件雕刻完成后,按順序排好,進行飛機的拼裝工作。制作完成后,檢查載運筐強度是否達到,機臂與機身是否兩邊等長、水平共線,投放裝置是否穩定,底座是否與地面自然接觸,飛機整體重心是否位于兩機臂中垂線上且處于兩機臂下方。檢查無誤后,便可以安裝電裝和調試了。

傾轉結構作為矢量二旋翼飛行器上受力最大的部分,設計時應在盡量控制飛行器空重的前提下必須進行加固。此處我們采用了硬度高的碳纖維管作為主軸,并且整體結構采用航空輕木層板。傾轉結構上安裝了作為飛行器動力的電機和螺旋槳,通過驅動舵機使槳平面傾轉50－70度,并且舵機和電機座之間通過拉桿連接,以減小虛位。拉桿與耳片的連接處需要進行加固,即將耳片外部貼一層碳片,以此起到增強耐久性的目的。制作完成后對其進行強度、穩定性、耐久性的檢驗。

1.2 電裝的選擇 本次設計采用的執行電機為無刷直流電機,相比于傳統有刷直流電機,無刷直流電機的可控性強、運行效率高,具有優越的機械特性。根據廠商提供的數據,朗宇Sunnysky V4006 740kv無刷電機在搭配朗宇EOLO 1555槳和4S動力電池使用時,最大可以達到2300g的拉力。飛行器在垂直起降模式時,2個電機最大可以產生約4600g的拉力。本次的舵機使用在了改變飛行方向的傾轉結構處,該處的舵機直接與電機座連接,從而導致受力非常大,且該處舵機對旋轉角度要求比較精準。還有重要的一點是,傾轉結構的強度直接影響飛機PID的調校和飛機整體的穩定性,而高強度的舵機則會有效提高整體傾轉結構的強度。綜上所述,采用扭矩大虛位小的金屬齒ES3054數字舵機。

二、矢量二旋翼飛行器的調試

2.1 F3飛控的研究 F3飛控接線常用的有兩種方式：①PWM接線,接線方式復雜,但對接收機要求小,一般接收機都適用；②SBUS接線,接線方式簡單,但對接收機要求大,只能使用支持SBUS的接收機。

在bf地面站主界面里我們常用的有“PID調?！?、“舵機”、“CLI命令行”等模塊?！岸鏅C”階段通過調節舵機參數使飛行器的傾轉結構達到水平狀態。要注意傾轉結構的舵機必須處于水平狀態,否則飛行器起飛后將發生偏移,使之偏離預定航線。注意試飛前一定要校準,即方向校準、水平校準、磁羅盤校準和油門校準。

2.2 PID調校

2.2.1 PID分析 PID調校的實時數據通過地面站的“黑匣子”記錄,PID－Analyzer軟件的分析,blackbox－Explorer軟件的研究,最終變成我們所需的數據。進行PID－Analyzer軟件的分析時,第一步就是要正確設置飛機參數,設置恰當的濾波,并關掉所有的動態影響pid的函數。具體的做法就是,①反重力系數設定到1；②D setpoint Weight＝0；③TPA＝0；④電池電壓補償打開。第二步就是打開blackbox黑匣子數據頁面,選擇合適的存儲方式,如果有板載緩存就選擇板載芯片,有SD卡就選擇SD卡。同時需要選擇正確的采樣率,通常來說采樣率越高越好,但是越高的采用率對存儲空間的占用也很大,通常至少是陀螺儀采樣率的1/8。第三步就是出去測試和飛行,采集數據。收集完數據和Analyzer軟件分析之后,就會形成若干張分析圖,接下來便是針對分析圖做出合理的分析,進行PID的調校,優化飛行。

PID 分析圖

針對此圖做出進一步的分析,第一行,黃線反應的是輸入到PID loop中的RC搖桿命令,藍線反映的是陀螺儀的響應情況。如果重合度很高,就表示飛行器調的非常跟手了。第二行,反映的是整個飛行日志中的油門分布情況,紅線表示的是TPA的breakpoint。第三行,反應的是根據油門值而分立的階躍響應,讀法是這樣的：黃色＝2,綠色＝1,藍色＝0。第四行,也是最關鍵的一行,顯示的是階躍反應圖像,藍色的線反映的是角速度低于500°/s時的pid平均反應情況。首先應該把D和I都降低下來,慢慢加P,直到圖像中剛好開始產生適當多個自激振蕩為止；加I,使圖像整體大概收斂于1；加D,抑制掉P產生的自激震蕩,調試完成。

2.2.2 濾波設置 任何濾波器都會為信號增加相移(延遲),通常來說這對于不同頻率所產生的延遲是不同的。將此相移添加到最關鍵的時間相會改變控制器的行為。首先在地面站上把兩個notch濾波關了,把低通濾波改成PT1保存；其次開啟“動態濾波”保存；最后把pid和gyro頻率都改成4khz。注意調校后的初次飛行需時刻查看電機溫度。濾波值越高,飛行效果可能越好,但也會導致更多的信號“噪音”進入電機。100Hz是默認較佳的數值,但如果震動現象嚴重,可以嘗試把Dterm和Gyro濾波器降低到50Hz。

2.2.3 CLI命令行 命令行CLI在選項菜單的最下面,點擊進入命令行配置頁面,輸入help回車,進入關鍵字。其中可能常用到的有resource,feature,motor,get,set等。注意：設置完成后,輸入命令：save回車,保存參數,自動重啟后設置生效。

(1)電機、舵機設置：

resource MOTOR 1 A06 ＃物理映射左馬達的控制信號到MCU的A06管腳(1號插釘)

resource MOTOR 2 A07 ＃物理映射右馬達的控制信號到MCU的A07管腳(2號插釘)

resource MOTOR 5 NONE ＃解除5號插釘的物理管腳映射,以備左舵機使用

resource MOTOR 6 NONE ＃解除6號插釘的物理管腳映射,以備右舵機使用

resource SERVO 1 B08 ＃物理映射左舵機的控制信號到MCU的B08管腳(5號插釘)

resource SERVO 2 B09 ＃物理映射右舵機的控制信號到MCU的A12管腳(6號插釘)

(2)復位電機、舵機混合器：

mmix reset ＃復位電機混合器

mmix 0 1.000 1.000 0.000 0.000 ＃定義左電機對油門100%響應,橫滾正向100%響應

mmix 1 1.000－1.000 0.000 0.000 ＃定義右電機對油門100%響應,橫滾反向100%響應

smix rese ＃復位舵機混合器

smix 0 2 2－100 0 0 100 0 ＃定義1號舵機偏航反向100%響應

smix 1 2 1 100 0 0 100 0 ＃定義1號舵機對俯仰正向100%響應

smix 2 3 2－100 0 0 100 0 ＃定義2號舵機偏航反向100%響應

smix 3 3 1－100 0 0 100 0 ＃定義2號舵機對俯仰反向100%響應

(3)改方向設置：

smix reverse 4 2 r ＃定義4號舵機偏航反轉

smix reverse 5 1 r ＃定義5號舵機俯仰反轉

smix reverse 5 2 r ＃定義5號舵機偏航反轉

三、結束語

由于矢量二旋翼具有無可比擬的優勢,在軍事和民用方面都有著廣闊的應用前景,因此具有重要的研究價值。本文從飛行器的結構設計和飛控調節進行了詳細的研究,得出了進一步結論。