摘   要

本文介绍了涵道共轴旋翼无人飞行器在国内与国外的发展近况，知网论文查重通过叶素法对旋翼载荷进行了分析，完成了操纵机构的设计，操纵机构设计为涵道共轴双旋翼。随后介绍了ARM处理器以及STM32微控制器的结构，设计了STM32运行所需的最小系统电路，介绍了PWM输入捕获、USART串口以及PWM输出模块，并对PWM输出进行了初始化配置设置。随后完成了舵机指令的标定和控制通道指令的分配。根据PWM输出信号的脉冲宽度与舵机转角的线性关系对舵机指令进行标定，完成了对控制通道指令的分配。最后通过电调控制旋翼转速，分析了PWM脉冲宽度与转速之间的线性关系。

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第一章 绪 论

1.1研究背景

涵道飞行器的研制开始于上世纪80年代，涵道飞行器的旋翼被包在涵道内，可以很好地起到保护旋翼的作用，而且涵道可以为飞行器提供更佳的气动力，可以提高飞行器的气动效率，而且产生的噪声比较小。涵道共轴双旋翼飞行器上下两个旋翼转向相反，可以将旋翼产生的反扭矩相互抵消，而且可以使得飞行器结构更加紧凑，地面安全性提高。涵道共轴双旋翼飞行器的尺寸较小、成本低并且机动性能好，其能够在恶劣的环境下飞行。这引起了各国研究者的重视。

目前，世界很多国家都在对涵道飞行器和共轴旋翼飞行器进行研究，但是对于涵道共轴飞行器这一结合了两者优点的飞行器的研究却不是很多。涵道共轴飞行器上旋翼与下旋翼之间存在着干扰，结构较为复杂。对于这样一种在巡逻、监视、侦查、通讯、航拍等各个领域都有需求的飞行器来说完善对其的研究是非常重要的。

1.2国内外研究近况

1.2.1国外研究近况

上世纪80年代，美国的桑迪亚实验室依据海军陆战队的要求进行了“空中远程遥控装置”的研制，开发出了首架垂直起降的涵道飞行器。

1992年，美国启动了多用途安全与监视任务平台，最终采用了美国西科斯基研制的高性能涵道共轴无人直升机Cypher，如图1.1所示。

图1.1 西科斯基Cypher

法国伯蒂公司也在近5年中研制出了一种垂直起降的涵道无人机--悬停眼（HoverEye），如图1.2所示。

图1.2法国伯蒂公司Hovereye

2001年，美国启动了建制无人机计划。美国国防高级研究计划局要求无人机以涵道飞行器结构为主并且具有垂直起降和悬停的能力。最终美国阿德莱德公司的涵道无人飞行器i-STAR入围而且该飞行器在2000年以完成试飞，如图1.3。

图1.3 阿德莱德公司的i-STAR

霍尼韦尔公司通过与美国陆军和美国国防高级研究计划局的合作研制出了微型无人机（MAV），如图1.4。

图1.4霍尼韦尔公司的微型涵道无人机

1.2.2国内研究近况

我国对于涵道共轴旋翼飞行器研究起步工作较晚，对于这方面的文献较少，大多都是对涵道共轴双旋翼流场分析，如研究了悬停涵道共轴双旋翼干扰流动数值模拟的参考文献，研究了涵道共轴多旋翼飞行器的建模和控制的文献^[3]，及对于涵道共轴双旋翼前飞气动特性与试验优选设计的研究^[4]，还有对于涵道风扇共轴式无人直升机操稳特性的研究^[6]。

图1.5中航工业“飞鸿”涵道式旋翼无人飞行器

2015年第三届中国天津国际直升机博览会上中航工业带来了多款最新研制的直升机参展。“飞鸿”涵道式旋翼无人飞行器，如图1.5。它具有垂直起降、悬停、短距起飞和大速度前飞等能力。其布局上以固定翼飞机的构型为基础，加入了涵道共轴双旋翼系统。全机重量60kg，航程和最大平飞速度分别为40km和100km/h。它具有良好的气动外形、高效的气动力特性以及特殊开发的飞行控制系统，可执行侦查、监视、目标获取等任务。

1.3研究内容

本文通过旋翼载荷分析对操纵机构进行了设计，然后运用STM32微型控制器对涵道共轴旋翼系统进行上下旋翼转速控制以及旋翼变距控制，主要内容为：

（1）通过叶素法对旋翼载荷进行分析，操纵机构设计；

（2）ARM处理器基本原理和开发环境；

（3）处理器控制板输入输出配置；

（4）舵机分配与桨距标定；

（5）上下旋翼转速控制。