專利名稱：微型無人直升機發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種微型無人直升機發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器，該轉(zhuǎn)速定速器安裝在微型無人直升機上，使微型無人直升機的發(fā)動機轉(zhuǎn)速在飛行過程中保持恒定以維持穩(wěn)定的動力輸出，提高微型無人直升機的飛行穩(wěn)定性，從而簡化微型無人直升機的模型辨識和控制。
背景技術(shù)：
微型無人直升機是指自主控制飛行的可垂直起降不載人飛行器，由于其體積小、造價低、飛行機動性好、起飛著陸場地小，在軍事、大氣檢測、交通監(jiān)控、資源勘探、電力線路檢測、森林防火等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外一般采用在航模直升機上安裝飛行控制系統(tǒng)的方法構(gòu)造微型無人直升機，飛行控制系統(tǒng)對油門、總矩、俯仰、橫滾、尾舵這5個舵機進行控制實現(xiàn)自動飛行。航模直升機一般由機架、主旋翼、尾旋翼、發(fā)動機、無線接收機、遙控器和5個舵機及相關(guān)部件組成，飛行控制系統(tǒng)一般由飛行控制計算機、舵機控制器、發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器、慣性測量單元(IMU)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、電子羅盤、高度計、無線數(shù)傳模塊等電子設(shè)備組成[1，2，3，4]。本實用新型涉及的發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器是上述飛行控制系統(tǒng)的一個組成部分，它負責轉(zhuǎn)速-油門控制回路。目前，市場上尚無專門針對微型無人直升機的發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器，一般采用航模專用的發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器來控制微型無人直升機的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。這些航模專用的發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器只能手動改變轉(zhuǎn)速控制設(shè)定值且一般沒有發(fā)動機轉(zhuǎn)速信息數(shù)字輸出接口，不便于微型無人直升機飛行控制計算機根據(jù)自主控制飛行的需要在線改變轉(zhuǎn)速控制設(shè)定值和實時獲得發(fā)動機轉(zhuǎn)速信息，進而影響微型無人直升機的自動控制飛行，所以需要一種有計算機通訊接口、方便微型無人直升機飛行控制計算機使用的發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器來取代現(xiàn)有產(chǎn)品。
參考文獻[1]Alison A.Proctor，Suresh K.Kannan，Chris Raabe，“Development of anAutonomous Aerial Reconnaissance System at Georgia Tech”，2003Internatioanl Aerial Robotics Competition. Carl Drohomereski，Shaun Giebel，Matt Gafencu，“Technical Paper forInternational Aerial Robotics Competition”，2000 International AerialRobotics Competition. Jonathan M.Roberts，Peter I.Corke and Gregg Buskey，“Low-CostFlight Control System for a Small Autonomous Helicopter”，IEEEInternational Conference on Robotics on Robotics and Automation，vol.1，pp.546-551，2003. Lamela，H.，F(xiàn)erreras，M.A.，Varo，A.J.，“Sensor and navigationsystem integration for autonomous unmanned aerial vehicle applications”，The 25th Annual Conference of the IEEE，vol.2，pp.535-540，1999.

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型旨在克服現(xiàn)有航模專用發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器的不足，提供一種微型無人直升機發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器。
微型無人直升機發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器單片機分別與RS232轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路、磁隔離電路、舵機控制信號發(fā)生電路相接，RS232轉(zhuǎn)換電路與微型無人直升機飛行控制計算機相接，信號處理電路與霍爾傳感器電路相接，霍爾傳感器電路安裝在微型無人直升機發(fā)動機風扇旁，磁隔離電路與無線接收機信號輸入接口、微型無人直升機無線接收機相接，舵機控制信號發(fā)生電路與磁隔離電路、舵機控制信號輸出接口、微型無人直升機舵機相接。
本實用新型使微型無人直升機發(fā)動機轉(zhuǎn)速在飛行過程中保持恒定，提高了飛行穩(wěn)定性；通過RS232串行通訊接口與微型無人直升機飛行控制計算機配合實現(xiàn)微型無人直升機的發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量信號輸出、5路舵機手動控制信號輸出、轉(zhuǎn)速控制設(shè)定值與控制參數(shù)在線修改、5路舵機控制及手自動切換，進而實現(xiàn)了自主控制飛行；安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，也可作為航模發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器，用于航模直升機發(fā)動機的轉(zhuǎn)速控制，前景可觀。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明


圖1是微型無人直升機發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器方框圖；圖2是本實用新型單片機主程序流程圖；圖3是本實用新型單片機外部中斷處理程序流程圖；圖4是本實用新型單片機輸出比較中斷處理程序流程圖；圖5是本實用新型實施例的電路圖。
具體實施方式
如
圖1所示，單片機3分別與RS232轉(zhuǎn)換電路8、信號處理電路2、磁隔離電路5、舵機控制信號發(fā)生電路6相接，RS232轉(zhuǎn)換電路8與微型無人直升機飛行控制計算機9相接，信號處理電路2與霍爾傳感器電路1相接，霍爾傳感器電路1安裝在微型無人直升機發(fā)動機風扇10旁，磁隔離電路5與無線接收機信號輸入接口4、微型無人直升機無線接收機11相接，舵機控制信號發(fā)生電路6與磁隔離電路5、舵機控制信號輸出接口7、微型無人直升機舵機12相接。
霍爾傳感器電路1和信號處理電路2組成發(fā)動機轉(zhuǎn)速檢測電路；微型無人直升機發(fā)動機風扇1上裝有磁珠，所述霍爾傳感器電路1靠近安裝在微型無人直升機發(fā)動機風扇10邊以將磁珠隨發(fā)動機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的磁場變化信號轉(zhuǎn)換成方波頻率信號；霍爾傳感器電路1輸出端與信號處理電路2輸入端相連接，以將反映發(fā)動機轉(zhuǎn)速的頻率信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號；信號處理電路2輸出端與單片機3集成的A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸入端相連接，以將上述轉(zhuǎn)換后的反映發(fā)動機轉(zhuǎn)速的模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸入到單片機3中。所述無線接收機信號輸入接口4連接微型無人直升機無線接收機11的油門、總矩、俯仰、橫滾、尾舵5通道舵機手動控制信號輸出，該接口輸出端與磁隔離電路5、單片機3的I/O輸入端順序電連接，以將反映5路舵機手動控制信號的PWM信號輸入到單片機3中；單片機3的I/O輸出端、舵機控制信號發(fā)生電路6、磁隔離電路5、舵機控制信號輸出接口7、微型無人直升機舵機12相連以控制油門、總矩、俯仰、橫滾、尾舵5路舵機。RS232轉(zhuǎn)換電路8與單片機3集成的UART接口直接電連接，以實現(xiàn)與微型無人直升機飛行控制計算機9的串行通訊。
本實用新型的工作原理是舵機控制信號為周期為22ms、高電平脈寬為1～2ms的PWM信號，單片機3內(nèi)置程序利用外部中斷配合定時器測量來自微型無人直升機無線接收機的5路PWM信號得到5路舵機手動控制信號，利用RS232串行通訊接口接收微型無人直升機飛行控制計算機9控制程序產(chǎn)生的除油門舵機外的4路舵機自動控制信號，油門舵機自動控制信號由單片機3內(nèi)置的轉(zhuǎn)速控制程序產(chǎn)生；舵機手動控制時，單片機3內(nèi)置程序根據(jù)舵機手動控制信號利用定時器1輸出比較功能在I/O輸出端產(chǎn)生時序控制信號驅(qū)動舵機控制信號發(fā)生電路6產(chǎn)生相應(yīng)的5路舵機控制信號；舵機自動控制時，單片機3內(nèi)置程序根據(jù)舵機自動控制信號利用定時器1輸出比較功能在I/O輸出端產(chǎn)生時序控制信號驅(qū)動舵機控制信號發(fā)生電路6產(chǎn)生相應(yīng)的5路舵機控制信號；這樣便實現(xiàn)了舵機的手動控制和自動控制，每路舵機的手自動狀態(tài)均可由單片機內(nèi)置程序單獨設(shè)置，油門舵機的手自動狀態(tài)由轉(zhuǎn)速控制程序設(shè)置，其余4路舵機手自動狀態(tài)由微型無人直升機飛行控制計算機9根據(jù)需要發(fā)送相應(yīng)的手自動切換命令設(shè)置。在微型無人直升機點火階段，單片機3內(nèi)置轉(zhuǎn)速控制程序使油門舵機處于手動控制狀態(tài)以實現(xiàn)手動點火；點火完成后，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速超過100轉(zhuǎn)/s且油門舵機手動控制信號超過1/4時，油門舵機進入自動控制狀態(tài)，單片機3內(nèi)置程序運行前饋-模糊自整定PI控制算法，以總矩舵機輸入信號為前饋變量、發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號為反饋變量、油門舵機輸出信號為控制變量構(gòu)成前饋-模糊自整定PI控制回路，將發(fā)動機轉(zhuǎn)速保持在發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制設(shè)定值附近；當油門舵機手動控制信號小于1/4時，油門舵機進入手動控制狀態(tài)以實現(xiàn)人工著陸，當轉(zhuǎn)速檢測電路失效而導(dǎo)致發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量值低于100轉(zhuǎn)/s時，油門舵機也會進入手動控制狀態(tài)以保證飛行安全；同時單片機3內(nèi)置程序還將轉(zhuǎn)速測量信號和5路舵機手動控制信號通過上述RS232串行通訊接口定時發(fā)送給微型無人直升機飛行控制計算機9；微型無人直升機飛行控制計算機9根據(jù)微型無人直升機飛行控制的需要通過RS232串行通訊接口發(fā)送改變轉(zhuǎn)速控制設(shè)定值命令、改變轉(zhuǎn)速控制參數(shù)命令、4路舵機自動控制信號和手自動切換命令，單片機3內(nèi)置程序根據(jù)命令作出相應(yīng)動作以實現(xiàn)微型無人直升機的自動控制飛行。
如圖2所示，所述單片機3主程序為一循環(huán)程序，它在每22ms定時完成轉(zhuǎn)速信號采集、油門手動控制或前饋-模糊自整定PI自動控制、向微型無人直升機飛行控制計算機9發(fā)送轉(zhuǎn)速和舵機手動控制信號、處理微型無人直升機飛行控制計算機9發(fā)送的命令等任務(wù)。
如圖3所示，所述外部中斷處理程序由外部中斷觸發(fā)，測量來自微型無人直升機接收機11的PWM信號，本實用新型使用5個外部中斷實現(xiàn)5路PWM信號測量。
如圖4所示，所述輸出比較中斷處理程序由定時器1輸出比較器A的輸出比較中斷觸發(fā)，向舵機控制信號發(fā)生電路6發(fā)送時序信號，使其產(chǎn)生5路PWM信號以控制5路舵機。
如圖5所示，本實用新型實施例包括霍爾傳感器電路1、信號處理電路2、單片機3、無線接收機信號輸入接口4、磁隔離電路5、舵機控制信號發(fā)生電路6、舵機控制信號輸出接口7、RS232轉(zhuǎn)換電路8和電源；所述霍爾傳感器電路1輸出反映發(fā)動機轉(zhuǎn)速的方波頻率信號，其輸出端與所述信號處理電路2的頻率信號輸入端相接；所述信號處理電路2是一個頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路，它將來自所述霍爾傳感器電路1的方波頻率信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號并輸出到所述單片機3的一個模擬量輸入端，單片機3將接收到的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和分析計算得到發(fā)動機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)；
所述無線接收機信號輸入接口4與微型無人直升機無線接收機11相接，其輸出為反映油門、總矩、俯仰、橫滾、尾舵5個舵機手動控制信號的5路PWM信號，該輸出經(jīng)磁隔離電路5與單片機3的輸入捕獲端(ICP)、定時器0輸入端、3個外部中斷輸入端電連接，ICP和定時器0輸入端作為外部中斷用，外部中斷配合定時器1測量PWM信號高電平脈寬得到5路舵機手動控制信號數(shù)據(jù)；所述RS232轉(zhuǎn)換電路8的TTL電平端與單片機3的UART端口相接，其RS232電平端與微型無人直升機飛行控制計算機9的串口相接，該電路提供TTL電平與RS232電平的互相轉(zhuǎn)換；單片機3通過RS232轉(zhuǎn)換電路8向微型無人直升機飛行控制計算機9發(fā)送發(fā)動機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和舵機手動控制信號數(shù)據(jù)，接收改變轉(zhuǎn)速控制設(shè)定值命令、改變轉(zhuǎn)速控制參數(shù)命令、舵機自動控制信號、手自動切換命令。
所述單片機3的I/O輸出端還與舵機信號發(fā)生電路6連接，單片機3內(nèi)置程序利用定時器1的輸出比較功能產(chǎn)生時序控制信號驅(qū)動舵機信號發(fā)生電路6產(chǎn)生控制5路舵機所需的5路PWM信號，該5路PWM信號經(jīng)磁隔離電路5輸入到舵機控制信號輸出接口7，舵機控制信號輸出接口7與油門、總矩、俯仰、橫滾、尾舵5路舵機連接，以實現(xiàn)對這5路舵機的控制，各路舵機的手自動狀態(tài)由微型無人直升機飛行控制計算機9發(fā)送的手自動切換命令和單片機3的內(nèi)置轉(zhuǎn)速控制程序設(shè)置；單片機3內(nèi)置程序根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)和總矩舵機輸入來控制油門舵機以將發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值，發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于設(shè)定值時控制油門舵機減小油門，反之則加大油門；總矩舵機輸入增大則發(fā)動機負載增大，轉(zhuǎn)速降低，此時要增大油門以使發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值，反之則減小油門；所述霍爾傳感器電路1、信號處理電路2、單片機3、磁隔離電路5、舵機控制信號發(fā)生電路6、RS232轉(zhuǎn)換電路8還與電源相接，并由該電源電路提供的+5V電源供電。
所述霍爾傳感器電路1由霍爾元件H1(A3144)和分別連接于霍爾元件H1輸出端與電源之間的電阻器R1構(gòu)成；所述信號處理電路2由頻率/電壓轉(zhuǎn)換器U1(LM2907)及其外圍電阻器和電容器構(gòu)成，電阻器R3、R4組成的分壓電路為頻率/電壓轉(zhuǎn)換器U1提供比較電壓基準，該信號處理電路2輸出電壓與輸入頻率的關(guān)系為U＝5×R2×C28×f；所述的信號處理電路2為頻率/電壓轉(zhuǎn)換器U1第2腳與第二十八電容C28一端相接，頻率/電壓轉(zhuǎn)換器U1第3腳、第4腳與第二電阻R2、第二十九電容C29一端相接，頻率/電壓轉(zhuǎn)換器U1第5腳與頻率/電壓轉(zhuǎn)換器U1第10腳、第三電阻R3一端相接，頻率/電壓轉(zhuǎn)換器U1第11腳與第四電阻R4一端、第五電阻R5一端相接，頻率/電壓轉(zhuǎn)換器U1第8腳、第9腳、第三十電容C30一端、第四電阻R4另一端與電源相接，第二十八電容C28、第二十九電容C29、第三十電容C30、第二電阻R2、第三電阻R3、第五電阻R5另一端、頻率/電壓轉(zhuǎn)換器U1第12腳接地。
所述單片機3由型號為Atmega16的單片機及其外圍電路構(gòu)成，Atmega16是Atmel最新生產(chǎn)的AVR RISC架構(gòu)嵌入式微處理器產(chǎn)品，該單片機3工作于5V、16MHz晶振下時可以有16MIPS的性能，內(nèi)含16K可系統(tǒng)內(nèi)編程的flash，512字節(jié)的EEPROM和1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM，配置了方便調(diào)試的JTAG接口，可以通過這個接口進行片內(nèi)調(diào)試、程序下載以及融絲位燒寫，還有豐富的外圍硬件接口，例如I2C、SPI、UART、AD、PWM和多個可編程T/O，該單片機3具有多種休眠模式，內(nèi)部看門狗，內(nèi)部RC振蕩器，非常有利于開發(fā)低功耗小體積產(chǎn)品；所述無線接收機信號輸入接口4由5個3針排針構(gòu)成；所述磁隔離電路5是由4個ADI數(shù)字隔離器ADUM1200和1個ADI數(shù)字隔離器ADUM1201組成的5個數(shù)字隔離輸入通道和5個數(shù)字隔離輸出通道，ADUM1200和ADUM1201磁隔離器是ADI公司的iCoupler系列數(shù)字隔離器，它將CMOS與芯片級變壓器技術(shù)相結(jié)合以便實現(xiàn)尺寸、成本和功耗均優(yōu)于光電耦合器的隔離解決方案；所述舵機控制信號發(fā)生電路6為十進制計數(shù)器U3(CD4017)，十進制計數(shù)器U3接收單片機3的時序控制信號從其輸出端口Q1、Q2、Q3、Q4、Q5輸出5路PWM信號；所述舵機控制信號輸出接口7由5個3針排針構(gòu)成；所述RS232轉(zhuǎn)換電路8由RS-232收發(fā)器U9(MAX232CSE)、DB9接插件COM1及其外圍電容器構(gòu)成；所述電源由11.1V鋰電池組、保險絲、LM340穩(wěn)壓芯片及其外圍二極管和電容器構(gòu)成，保險絲F1和肖特基二極管D1在電路短路和電池組BT1反接時提供保護，電容器C24、C25起穩(wěn)定輸入電壓作用，LM340將鋰電池組電壓穩(wěn)壓后輸出+5V電壓，電容器C26、C27起穩(wěn)定輸出電壓作用，二極管D2在LM340輸入端短路時起保護作用。
本實用新型的發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器與航模專用的轉(zhuǎn)速定速器相比，增加了RS232串行通訊功能、舵機手動控制信號測量功能、舵機控制功能和手自動切換功能，更加適合在微型無人直升機上使用，符合微型無人機技術(shù)發(fā)展的趨勢。
權(quán)利要求1.一種微型無人直升機發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器，其特征在于，單片機(3)分別與RS232轉(zhuǎn)換電路(8)、信號處理電路(2)、磁隔離電路(5)、舵機控制信號發(fā)生電路(6)相接，RS232轉(zhuǎn)換電路(8)與微型無人直升機飛行控制計算機(9)相接，信號處理電路(2)與霍爾傳感器電路(1)相接，霍爾傳感器電路(1)安裝在微型無人直升機發(fā)動機風扇(10)旁，磁隔離電路(5)與無線接收機信號輸入接口(4)、微型無人直升機無線接收機(11)相接，舵機控制信號發(fā)生電路(6)與磁隔離電路(5)、舵機控制信號輸出接口(7)、微型無人直升機舵機(12)相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型無人直升機發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器，其特征在于，所述的信號處理電路(2)為頻率/電壓轉(zhuǎn)換器(U1)第2腳與第二十八電容(C28)一端相接，頻率/電壓轉(zhuǎn)換器(U1)第3腳、第4腳與第二電阻(R2)、第二十九電容(C29)一端相接，頻率/電壓轉(zhuǎn)換器(U1)第5腳與頻率/電壓轉(zhuǎn)換器(U1)第10腳、第三電阻R3一端相接，頻率/電壓轉(zhuǎn)換器(U1)第11腳與第四電阻(R4)一端、第五電阻(R5)一端相接，頻率/電壓轉(zhuǎn)換器(U1)第8腳、第9腳、第三十電容(C30)一端、第四電阻(R4)另一端與電源相接，第二十八電容(C28)、第二十九電容(C29)、第三十電容(C30)、第二電阻(R2)、第三電阻(R3)、第五電阻(R5)另一端、頻率/電壓轉(zhuǎn)換器(U1)第12腳接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種微型無人直升機發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器，其特征在于，所述的頻率/電壓轉(zhuǎn)換器(U1)為頻率/電壓轉(zhuǎn)換器LM2907。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型無人直升機發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器，其特征在于，所述的舵機控制信號發(fā)生電路(6)為十進制計數(shù)器(U3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種微型無人直升機發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器，其特征在于，所述的十進制計數(shù)器(U3)為十進制計數(shù)器CD4017。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型無人直升機發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器，其特征在于，所述的磁隔離電路(5)是由4個ADI數(shù)字隔離器ADUM1200和1個ADI數(shù)字隔離器ADUM1201組成的5個數(shù)字隔離輸入通道和5個數(shù)字隔離輸出通道。
專利摘要本實用新型公開了一種微型無人直升機發(fā)動機轉(zhuǎn)速定速器。單片機分別與RS232轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路、磁隔離電路、舵機控制信號發(fā)生電路相接，RS232轉(zhuǎn)換電路與微型無人直升機飛行控制計算機相接，信號處理電路與霍爾傳感器電路相接，霍爾傳感器電路安裝在微型無人直升機發(fā)動機風扇旁，磁隔離電路與無線接收機信號輸入接口、微型無人直升機無線接收機相接，舵機控制信號發(fā)生電路與磁隔離電路、舵機控制信號輸出接口、微型無人直升機舵機相接。本實用新型不僅實現(xiàn)了微型無人直升機發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制，而且實現(xiàn)了RS232串行通訊、舵機手動控制信號與轉(zhuǎn)速信號測量、舵機控制及手自動切換，方便微型無人直升機實現(xiàn)自主控制飛行；也可用于航模直升機發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制，前景可觀。
文檔編號B64D31/08GK2854666SQ20052013426
公開日2007年1月3日 申請日期2005年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月26日
發(fā)明者徐玉, 韓波, 李平 申請人:浙江大學