一种横列式双倾转旋翼飞行器飞管系统

1.本发明涉及飞行器控制技术领域，具体而言，涉及一种横列式双倾转旋翼飞行器飞管系统。


背景技术：

2.垂直起降固定翼飞行器是结合了直升机可垂直起降、固定翼飞机可高速巡航特点的飞行器。现有的垂直起降固定翼飞行器主要为四旋翼复合翼、四旋翼倾转、横列式双倾转旋翼等类型。其中四旋翼复合翼因结构和控制简单，为现在的主流垂直起降固定翼飞行器。而横列式双倾转旋翼，相对于四旋翼少了两个旋翼和旋转机构，少了两个旋翼的动力消耗，整体的消耗降低，续航能力更强，带来的直接好处是相同体积下其运载能力相较于传统的四旋翼有明显的提升，载重能力也更大。
3.但横列式双倾转旋翼飞管系统的结构和组成复杂。其飞管系统需要同时控制直升机状态舵机和固定翼状态舵机，还需要对旋翼短舱的倾转角度进行监视和控制，并且在直升机和固定翼状态还需要对发动机转速进行控制。因此，需要改进飞控电路结构来解决此问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供一种横列式双倾转旋翼飞行器飞管系统，可以控制直升机状态机和固定翼状态舵机，可对旋翼短舱的倾转角度进行监视和控制，同时根据需求发动机转速进行控制。
5.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
6.一种横列式双倾转旋翼飞行器飞管系统，包括：设在飞机本体上的飞控系统、以及通过总线与其连接的倾转控制系统、信息采集系统；
7.所述飞控系统包括fpga芯片和与其分别连接的飞控机载计算机、传感器组、数字跳频电台、直升机舵机、固定翼舵机；所述飞控系统通过数字跳频电台与地面站连接；所述fpag芯片，读取地面站指令、传感器数据，读取信息采集系统采集到的ecu数据、齿轮箱温度和压力数据，读取倾转控制系统采集到的短舱实际倾转角度发送给飞控机载计算机；所述飞控机载计算机接收数据和指令，输出直升机舵机和固定翼舵机的转速控制量信号，输出短舱期望倾转角度信号和发动机的期望速度信号；
8.所述倾转控制系统包括倾转机载计算机和与其分别连接的调制解调芯片、倾转电机，调制解调芯片还连接倾转角度传感器；所述调制解调芯片采集旋转变压器的cos/sin信号并转换为角度信号并发送给倾转机载计算机；所述倾转机载计算机采集角度信号并转换为短舱实际倾转角度，根据短舱期望倾转角度通过pid控制算法，输出倾转电机旋转速度用于控制倾转电机旋转；
9.所述信息采集系统包括信息采集机载计算机和与其分别连接的发动机ecu、短舱齿轮箱滑油温度传感器、短舱齿轮箱滑油压力传感器、节气门舵机；所述节气门舵机控制飞
行器发动机转速，所述机载计算机，采集齿轮箱温度和压力数据、ecu转速数据；根据发动机期望转速通过pid控制算法输出节风门舵机转速控制量，转化为pwm信号控制节风门舵机保持发动机转速度恒定在设定值。
10.所述飞控系统、倾转控制系统、信息采集系统之间通过485总线通信。
11.所述传感器组包括压差传感器+空速管模块、惯性测量单元、气压传感器、卫星定位模块、磁罗盘，分别采集空速数据、三轴加速度和角度数据、气压高度数据、实时位置数据、航向数据。
12.所述fpga芯片，通过rs232接口连接气压传感器、卫星定位模块、磁罗盘、数字跳频电台；通过spi总线连接压差传感器+空速管模块、惯性测量单元、气压传感器、飞控机载计算机，通过pwm端口连接直升机舵机、固定翼舵机。
13.所述直升机舵机连接直升机舵机倾斜盘，所述固定翼舵机连接固定翼舵面，pwm端口输出pwm信号控制直升机舵机倾斜盘和固定翼舵面。
14.所述倾转角度传感器为旋转变压器，安装在短舱旋转轴上。
15.所述滑油温度传感器、滑油压力传感器设在短舱齿轮箱内。
16.所述倾转机载计算机，通过rs232接口连接倾转电机，通过spi总线连接调制解调芯片，所述调制解调芯片通过信号线连接倾转角度传感器。
17.所述信息采倾转计算机，通过rs232接口连接发动机ecu，通过rs232接口连接齿轮箱滑油温度传感器、短舱齿轮箱滑油压力传感器，通过pwm端口连接节气门舵机。
18.本发明具有以下有益效果及优点：
19.1.通过飞控系统、倾转控制系统和信息采集系统分别对飞行器的飞行、旋翼短舱的倾转和发动机的转速改进控制电路，降低了单个系统的复杂性。同时各个系统电路分开安装在被控对象附近，防止信号线过长引起的干扰。
20.2.飞控系统中所有信息采集和发送任务由fpga芯片及周围电路实现，飞控机载计算机只专注于控制算法的运行，提高了飞控机载计算机的使用效率，为添加更复杂的控制算法提供了可靠的支持。
21.3.倾转控制系统通过使用旋转变压器对旋翼短舱倾转角度进行测量，具有安装简单、精度高、响应快的特点。
附图说明
22.图1是本发明的系统结构图；
23.图2是本发明中飞控系统结构图；
24.图3是本发明中倾转控制系统结构图；
25.图4是本发明中信息采集系统结构图；
26.图5是横列式双倾转旋翼飞行器示意图。
具体实施方式
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违
背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
28.除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
29.如图1所示，横列式双倾转旋翼飞行器飞管系统，包括飞控系统，倾转控制系统，信息采集系统；所述飞控系统通过rs485总线与所述倾转控制系统通信，飞控系统将无人机短舱期望倾转角度发送给倾转控制系统，倾转控制系统将短舱实际倾转角度发送到飞控系统。所述飞控系统通过rs485总线与所述信息采集系统通信，飞控系统将发动机期望转速发送给信息采集系统，信息采集系统将采集到的ecu数据、齿轮箱温度和压力数据发送给飞控系统。
30.如图2所示，飞控系统包括机载计算机、现场可编程门阵列(fpga)芯片、传感器、数字跳频电台、直升机舵机、固定翼舵机。机载计算机为stm32h743，fpga芯片为ep4ce10e22，传感器为neo-m8n卫星定位模块、hmr2300磁罗盘、do4525压差传感器+空速管模块、adis16448惯性测量单元、气压传感器。直升机舵机为sf40035mg，固定翼舵机为da26-30。
31.如图2所示，其中fpag芯片通过spi总线读取do4525压差传感器+空速管模块的空速数据，读取惯性测量单元的三轴加速度和角速度数据，读取气压传感器的气压高度数据。通过rs232读取卫星定位模块的位置和速度数据，读取磁罗盘的航向数据，读取跳频电台接收到的地面人员控制指令。通过rs485总线读取信息采集系统采集到的ecu数据、齿轮箱温度和压力数据，读取倾转控制系统采集到的短舱实际倾转角度。并将所有数据打包，以50hz的频率通过spi总线发送给机载计算机。机载计算机将接收到的数据和命令进行解析，通过倾转旋翼飞行控制算法解算出直升机舵机和固定翼舵机的控制量、短舱期望倾转角度和发动机的期望速度，或接收地面站的直升机舵机和固定翼舵机的控制量、短舱期望倾转角度和发动机的期望速度，并以50hz的频率通过spi总线发送给fpga芯片。fpga芯片将控制量转化为pwm波，用于控制直升机舵机和固定翼舵机，最终控制直升机倾斜盘和固定翼舵面，同时通过485总线分别将短舱期望倾转角度和发动机期望转速发送给倾转控制系统和信息采集系统。
32.如图3所示，倾转控制系统包括机载计算机、倾转角度传感器、调制解调芯片、倾转电机控制器。机载计算机为stm32f103，倾转角度传感器为ts2620n271型号的旋转变压器，调制解调芯片为ad2s1200。调制解调芯片与旋转变压器通过信号线连接，将cos/sin信号转换为角度信号。机载计算机通过spi总线与调制解调芯片通信，采集倾转角度传感器数据得到短舱倾转角度。机载计算机通过rs485总线与飞控系统通信，接收短舱期望倾转角度并发送短舱实际倾转角度。倾转机载计算机根据短舱期望倾转角度和短舱实际倾转角度，通过经典pid控制算法解算出倾转电机旋转速度，并通过rs232控制倾转电机旋转。
33.如图4所示，信息采集系统包括机载计算机、短舱齿轮箱滑油温度传感器、短舱齿轮箱滑油压力传感器、节气门舵机。机载计算机为stm32f103，机载计算机通过rs232接口采集短舱齿轮箱滑油温度传感器、短舱齿轮箱滑油压力传感器数据。机载计算机通过rs232接口采集发动机ecu控制单元的监控数据。机载计算机通过rs485总线将以上数据发送给飞控系统，并接收飞控系统的期望转速指令。信息采集机载计算机根据采集到的转速数据和发动机期望转速，通过经典pid控制算法得到节风门舵机控制量，转化为pwm信息控制节风门
舵机，保持发动机转速度恒定在设定值。
34.如图5所示，为横列式双倾转旋翼飞行器示意图，其中1为固定翼舵面，2为倾斜盘，3为倾转短舱，4为倾转电机。
35.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种横列式双倾转旋翼飞行器飞管系统，其特征在于，包括：设在飞机本体上的飞控系统、以及通过总线与其连接的倾转控制系统、信息采集系统；所述飞控系统包括fpga芯片和与其分别连接的飞控机载计算机、传感器组、数字跳频电台、直升机舵机、固定翼舵机；所述飞控系统通过数字跳频电台与地面站连接；所述fpag芯片，读取地面站指令、传感器数据，读取信息采集系统采集到的ecu数据、齿轮箱温度和压力数据，读取倾转控制系统采集到的短舱实际倾转角度发送给飞控机载计算机；所述飞控机载计算机接收数据和指令，输出直升机舵机和固定翼舵机的转速控制量信号，输出短舱期望倾转角度信号和发动机的期望速度信号；所述倾转控制系统包括倾转机载计算机和与其分别连接的调制解调芯片、倾转电机，调制解调芯片还连接倾转角度传感器；所述调制解调芯片采集旋转变压器的cos/sin信号并转换为角度信号并发送给倾转机载计算机；所述倾转机载计算机采集角度信号并转换为短舱实际倾转角度，根据短舱期望倾转角度通过pid控制算法，输出倾转电机旋转速度用于控制倾转电机旋转；所述信息采集系统包括信息采集机载计算机和与其分别连接的发动机ecu、短舱齿轮箱滑油温度传感器、短舱齿轮箱滑油压力传感器、节气门舵机；所述节气门舵机控制飞行器发动机转速，所述机载计算机，采集齿轮箱温度和压力数据、ecu转速数据；根据发动机期望转速通过pid控制算法输出节风门舵机转速控制量，转化为pwm信号控制节风门舵机保持发动机转速度恒定在设定值。2.根据权利要求1所述的一种横列式双倾转旋翼飞行器飞管系统，其特征在于，所述飞控系统、倾转控制系统、信息采集系统之间通过485总线通信。3.根据权利要求1所述的一种横列式双倾转旋翼飞行器飞管系统，其特征在于，所述传感器组包括压差传感器+空速管模块、惯性测量单元、气压传感器、卫星定位模块、磁罗盘，分别采集空速数据、三轴加速度和角度数据、气压高度数据、实时位置数据、航向数据。4.根据权利要求3所述的一种横列式双倾转旋翼飞行器飞管系统，其特征在于，所述fpga芯片，通过rs232接口连接气压传感器、卫星定位模块、磁罗盘、数字跳频电台；通过spi总线连接压差传感器+空速管模块、惯性测量单元、气压传感器、飞控机载计算机，通过pwm端口连接直升机舵机、固定翼舵机。5.根据权利要求4所述的一种横列式双倾转旋翼飞行器飞管系统，其特征在于，所述直升机舵机连接直升机舵机倾斜盘，所述固定翼舵机连接固定翼舵面，pwm端口输出pwm信号控制直升机舵机倾斜盘和固定翼舵面。6.根据权利要求1所述的一种横列式双倾转旋翼飞行器飞管系统，其特征在于，所述倾转角度传感器为旋转变压器，安装在短舱旋转轴上。7.根据权利要求1所述的一种横列式双倾转旋翼飞行器飞管系统，其特征在于，所述滑油温度传感器、滑油压力传感器设在短舱齿轮箱内。8.根据权利要求1所述的一种横列式双倾转旋翼飞行器飞管系统，其特征在于，所述倾转机载计算机，通过rs232接口连接倾转电机，通过spi总线连接调制解调芯片，所述调制解调芯片通过信号线连接倾转角度传感器。9.根据权利要求1所述的一种横列式双倾转旋翼飞行器飞管系统，其特征在于，所述信息采倾转计算机，通过rs232接口连接发动机ecu，通过rs232接口连接齿轮箱滑油温度传感
器、短舱齿轮箱滑油压力传感器，通过pwm端口连接节气门舵机。

技术总结
本发明涉及一种横列式双倾转旋翼飞行器飞管系统。由飞控系统、倾转控制系统和信息采集系统组成，三个系统通过RS485总线通信。飞控系统、倾转控制系统和信息采集系统分别对飞行器的飞行、旋翼短舱的倾转和发动机的转速进行控制，降低了单个系统的复杂性。同时各个系统分开安装在被控对象附近，防止信号线过长引起的干扰。飞控系统中所有信息采集和发送任务由FPGA芯片及周围电路实现，机载计算机只专注于控制算法的运行，提高了机载计算机的使用效率，为添加更复杂的控制算法提供了可靠的支持。倾转控制系统中，通过使用旋转变压器对旋翼短舱倾转角度进行测量，具有安装简单、精度高、响应快的特点。响应快的特点。响应快的特点。


技术研发人员：何玉庆 谷丰 周浩 孙晓舒 狄春雷 于利
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：2021.12.08
技术公布日：2023/6/12