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遥控直升飞机系统设计

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遥控直升飞机系统设计

摘要随着航空模型的发展,特别是无线电遥控模型飞机的日臻完善,航空模型的用途越来越广泛。本文主要研究了基于单片机的遥控直升飞机控制,以STC89C51作为核心部件进行逻辑控制及信号产生,实现了红外远程遥控直升机的目的。论文首先介绍了单片机的基本理论,然后对软件设计中所涉及的红外遥控发射、接收、调速等单元的设计流程及工作原理进行了详细的说明,并阐述了遥控直升飞机的飞行原理。由于飞机配件的选择及组装是本次设计的重要内容之一,因此文中对涉及到的电机、舵机、螺旋桨、锂电池等飞机主要配件及组装注意事项进行了重点讲解。最后通过对软硬件的反复调试,完成直升机的装机和控制系统设计,达到设计要求,实现对遥控直升飞机平衡、上升、下降、左转、右转等简单的控制。该遥控直升机具有接收信号灵敏,控制简单等优点。关键词遥控直升机;单片机;汇编语言;红外遥控AbstractWiththedevelopmentofaviationmodels,especiallytheradio-controlledmodelairplanesarebecomingperfection,themodelairplaneisgettingmoresophisticatedandmorewidelyused.Inthispaper,themicrocontroller-basedremotecontrolhelicopterisresearched.IttakesSTC89C51asthecorecomponentstohavethelogiccontrolandgeneratesignals,inordertoachievethepurposeoftheinfraredremotecontrolhelicopter.First,thearticleintroducesthebasictheoryofthemicrocontroller;thenillustratesthedesigningprocessandworkingprinciplesofinfraredremotecontroltransmitter,receiver,andspeedcontrolunitinvolvedinsoftwaredesign;andexpoundstheflighttheoryofremotecontrolhelicopter.Becausetheselectionandassemblyofaircraftpartsareoneoftheimportantpartsofthisdesign,thispaperwillpayattentiontoissuesofmotors,steeringgear,propellers,lithiumandotheraircraftinvolvedinthemainpartsandassembly.Finally,aftertherepeatedlytestingofthehardwareandsoftware,thispaperwillcompletetheinstallmentandcontrolsystemdesignofthehelicopter,meetthedesignrequirements,toachievethebalance,up,down,turnleft,turnrightandsomesimplecontroloftheremotecontrolhelicopter.Theremotecontrolhelicopterhasadvantagesofreceivedsignalsensitivelyandcontrolledsimply.Keywordsremotecontrolhelicopter;microcontroller;assemblylanguage;infraredremotecontrolI目录第1章概述..................................................................................................................11.1课题研究的背景和意义...............................................................................11.2国内外航模的发展状况...............................................................................11.3论文主要内容...............................................................................................2第2章单片机简介........................................................................................................42.1单片机概述...................................................................................................42.2单片机的应用领域.......................................................................................42.3STC89C51单片机的功能及简介.................................................................52.4本章小结.......................................................................................................9第3章遥控直升飞机组件与安装..............................................................................103.1直升机的基本理论.....................................................................................103.2直升飞机各组件名称与作用.....................................................................143.3硬件组装.....................................................................................................173.4本章小结.....................................................................................................20第4章系统的设计与实现..........................................................................................214.1遥控码的发射.............................................................................................214.2红外接收.....................................................................................................234.3调速单元.....................................................................................................264.4系统调试.....................................................................................................284.5本章小结.....................................................................................................29结论..............................................................................................................................31致谢..............................................................................................................................32参考文献........................................................................................................................33附录1发射程序............................................................................................................34附录2接收程序...........................................................................................................37II附录3PWM信号(产生移位脉冲).........................................................................40附录4红外发射电路图...............................................................................................42附录5红外接收电路图...............................................................................................43东北石油大学本科生毕业设计(论文)1第1章概述1.1课题研究的背景和意义人类自古以来就幻想着飞行。在载人的航空器出现之前,人类就创造了许多能飞行的航空模型,不断地探索着飞行的奥秘。距今2000多年前的春秋战国时期,我们的祖先就制作出能飞的木鸟模型。另外,还制作出种类繁多的孔明灯、风筝和竹蜻蜓等。美国的莱特兄弟是世界上第一架飞机的制造者,他们的飞机在1903年12月17日试飞成功。在飞机发明之前,航空模型具有强烈的探索性质,在飞机发明之后,航空模型仍然是研究航空科学的必要工具。每一种新飞机的试制,都要先在风洞里用模型进行试验,甚至连航天飞机这样先进的航空器,也要经过模型试验阶段,取得必要的数据,才能获得成功。航空模型是很有实用价值的器具。我国汉代就有用风筝测量距离和传递信息的。随着航空模型的发展,特别是无线电遥控模型飞机的日臻完善,航空模型的用途越来越广泛。可以利用无线电遥控模型飞机作为部队和民兵对空射击训练的靶机。在训练的时候,通过无线电遥控设备控制航模靶机完成直线飞行、转弯、上升、俯冲等飞行动作,甚至在靶机上完成空投降落伞、发射模型火箭、投放炸弹、施放拖靶等特技动作。在实弹射击时候,可以在航模靶机尾部几十米远处拖拽一个彩色靶袋,以靶袋作为目标,避免击毁靶机。在无线电遥控模型飞机上装上摄影机,就可以对地面进行航空摄影,拍摄一些人们不容易接近的野生动植物,甚至可以拍摄一些危险性很大的惊险镜头或战斗场面等。航空模型是普及航空知识的玩具。航模活动是很多航模爱好者和广大青少年学生喜欢参加的课外活动。这不仅是学生的年龄层次决定的,更重要的是航模活动集科技性、知识性、趣味性、竞技性、实践性等优点,对锻炼青少年动手动脑能力,促进全面素质的提高,有着十分积极的作用。1.2国内外航模的发展状况经过千年的努力,被美国国家航空和空间博物馆称为“最早的飞行器”的风筝,被英国和法国的航空先驱者们,用来探讨旋翼原理的竹蜻蜓,采用轻于空气的原理实现升空的孔明灯,以及具备火箭升空喷气反应推力原理的流星,相继在古老的中国出现,他们都是远古时代的航空模型,其中包涵的飞行原理为载人飞行器的研制开辟了道路。20世纪前期,随着第一次世界大战的爆发,交战国纷纷将飞机用到了战争中,残酷的战火带动了航空业的迅速发展。由于模型飞机对普及航空知识、培养航空人才起着不可替代的作用,东北石油大学本科生毕业设计(论文)2美国、俄国、德国、日本等国家相继出现了航空热,并逐渐形成有组织有领导的群众性航空模型运动。时至今日在国外,航模产品的质量和性能都有较高的水平。航模产品的盛行带动了航模活动的普及。在国际上,航模的消费也主要集中在航模活动普及的国家和地区。在航模运动的普及和飞行水平的提高方面,国外的各飞行俱乐部起了关键的作用。国外的飞行俱乐部都是爱好者自发组成的民间组织,注册于各国的航模总协会下,如美国的AMA(全美航模协会)、英国的BFMA(大英航模协会)、澳大利亚的MAAA(澳洲航模协会)。这些机构与中国的国家体育总局航管中心相似。俱乐部以团体的形式向社会介绍和推广航模活动,通过媒体对各种活动和赛事的报道提高了社会公众和政府对航模这项休闲及运动的认知和尊重,为航模运动争取一个较好的社会环境,为模友们创造一个良好的飞行氛围。1905年国际航空联合会诞生,航空模型被列为其管辖的项目之一,随之成为一项世界性运动。航空模型一词于1913年流传到中国,首次出现在上海东方杂志刊登的飞行雏形制造的文章中。中国较大规模的航空模型运动起步于40年代,1947年举行了首届航空模型比赛。1978年10月中国加入国际航空联合会,并开始参加世界锦标赛,从此,我国的航空模型运动正式走向世界。随着我国航空事业的不断发展,航空知识教育日趋受到国家的重视,1992年82万青少年参加的首届“飞向北京”全国青少年航空模型竞赛,给航空模型运动的普及和发展增添了新的活力。我国航模产业的集中度不高,没有形成部分企业大规模的绝对优势,但是行业内的竞争在加剧,这为航模企业提供了发展空间的同时也增加了紧迫感。航模产业属于从朝阳产业向成熟产业过渡的阶段,行业竞争在加剧,我国航模产业的产量及其增长趋势体现在以下几个方面(1)行业的集中度不高。航模制造企业主要分布于珠江三角洲的深圳、珠海和上海、天津等地。全国50家企业,规模相对不大,势均力敌的对手比较多,竞争参与者范围广泛。(2)市场趋于成熟,虽然每年都在增长,但是速度缓慢。市场增长主要是一些新兴工业化国家和逐渐走向富裕的国家和地区,如韩国、新加坡、中国。中国市场每年在以20的速度增长。(3)供需平衡分析航空模型作为运动休闲类产品,欧美、日本等发达国家是主要的消费市场。航模生产主要集中在中国珠江三角洲和长江三角洲地区,尤以深圳为主。随着行业生产厂商技术能力的不断提高和行业竞争的加剧,航模生产厂商只有不断的提高技术能力,完善产品性能,提高产品品质,降低生产成本,才能在市场竞争中获得一席之地,取得很好的经营收益。1.3论文主要内容本设计是以遥控直升飞机为研究对象,主要是研究单片机对直升机的平衡、上升、下降、左转、右转等遥控功能。此次设计中的单片机控制器采用的是STC89C51,针对单片机的基本理东北石油大学本科生毕业设计(论文)3论和直升飞机的飞行原理进行了详细的阐述,同时对遥控直升机的模型结构也进行了剖析,并对其进行正确的安装,由于红外技术发展成熟,利用汇编语言进行编辑发射部分、接收部分的程序,所以本设计是以单片机为基础,通过红外远程遥控实现对直升机的简单控制。在第二章中,主要对单片机及其应用的领域进行概述,重点阐述了单片机STC89C51各个引脚的功能,对微处理器、数据存储器、串行口、中断系统、定时器和基本操作等做了较为详细的介绍。在第三章中,首先对遥控直升飞机的飞行原理和贝尔-希拉操纵方法进行了初步分析,然后阐述了遥控直升飞机的主要部件,重点对直升机组件及安装的注意事项进行了详细说明,最后完成装机工作。在第四章中,介绍了基于单片机的遥控直升机控制系统的软件设计,详细介绍了红外遥控码的发射、红外遥控接收部分、调速单元的调速原理及计算方法,重点阐述了系统软、硬件的调试中所出现的故障及排除方法。东北石油大学本科生毕业设计(论文)4第2章单片机简介2.1单片机概述二十世纪跨越了三个“电”的时代,即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过,这种电脑,通常是指个人计算机,简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机,大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机(亦称微控制器)。顾名思义,这种计算机的最小系统只用了一片集成电路,即可进行简单运算和控制。它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑,因为它体积小,通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在这个装置中,起着有如人类头脑的作用,它出了毛病,整个装置就瘫痪了。单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点,目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统,代替着传统数字电路与模拟电路固有的领地。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时,学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机能大大地提高这些产品的智能性,易用性及节能性等主要性能指标,给我们的生活带来舒适和方便的同时,在工农业生产上也极大地提高了生产效率和产品质量。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲,一块芯片就成了一台计算机。2.2单片机的应用领域单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴(1)在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。(2)在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。东北石油大学本科生毕业设计(论文)5(3)在家用电器中的应用可以这样说,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭褒、洗衣让机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,其无所不在。(4)在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。(5)单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外,单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空等领域都有着十分广泛的用途。2.3STC89C51单片机的功能及简介STC89C51主要是由微处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM/EPROM、4个8位并行I/O口、1个串行口、2个16位定时器/计数器、中断系统组成。如图2-1为STC89C51基本引脚结构图。主要性能参数与MCS-51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命1000写/擦循环数据保留时间10年全静态工作0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路东北石油大学本科生毕业设计(论文)6图2-1STC89C51基本引脚结构图引脚功能说明Vcc接电源。Vss接地。P0口P0口为一个8位漏级开路双向三态I/O口,每个管脚可吸收8个TTL门电流。当P1口的管脚写“1”时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时,P0口作为原码输入口,当FLASH进行校验时,P0输出原码,此时P0口外部电位必须被拉高。P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后,电位被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚电位被内部上拉电阻拉高,且作为输入。作为输入时,P2口的管脚电位被外部拉低,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉的优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P1.0VccP1.1p0.0P1.2p0.1P1.3p0.2P1.4p0.3P1.5p0.4P1.6p0.5P1.7p0.6RST/Vpbp0.7P3.0EA/VppP3.1ALE/PROGP3.2PSENP3.3P2.7P3.4P2.6P3.5P2.5P3.6P2.4P3.7P2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1Vssp2.0403938373635343332313029282726252423222112345678641011121314151617181920东北石油大学本科生毕业设计(论文)7P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入时,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流,也是由于上拉的缘故。表2-1P3口功能表端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INT0(外中断0)P3.3INT1(外中断1)P3.4T0(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6WR(外部存储器写选通信号)P3.7RD(外部存储器读选通信号)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST/VpdRST(RESET)是复位信号输入端,高电平有效。当单片机运行时,在此引脚加上持续时间大于2个机器周期(24个市中振荡周期)的高电平时,就可以完成复位操作。在单片机正常工作时,此引脚应为小于0.5V低电平。Vpd为本引脚的第二功能,即备用电源的输入端。当主电源Vcc发生故障,降低到某一规定值的低电平时,将电源自动接入RST端,为内部RAM提供内部电源,以保证片内RAM的信息不丢失,从而使单片机在复位后能继续正常运行。XTAL1接外部晶体的一个引脚。该引脚内部是一个反向放大器的输入端。这个反向放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时,此引脚接地。XTAL2接外部晶体的另一端,在该引脚内部接至内部反向放大器的输出端。如采用外部时钟振荡器时,该引脚接收时钟振荡器的信号,即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。微处理器51单片机中有1个8位的CPU,与通用的CPU基本相同,同样包括了运算器和控制器两大部分,只是增加了面向控制的处理功能不仅可以处理字节数据,还可以进行位变量的处理。数据存储器片内为128B,片外最多可扩张到64KB。数据存储器来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。片内的128B的RAM,以高速RAM的形式集成在单片机内,可以加快单片机的运行的速度,而且这种结构的RAM还可以降低功耗。程序存储器用来存储程序,8031无此部件;8051为4KBROM;8751则为4KBEPROM。如果片内只读存储器的容量不够,则需用扩展片外只读存储器,片外最多可扩展至64KB。中断系统具有5个中断源,2级中断优先权。定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器,具有4种工作方式。在单片机的应用中,往往需要精确的定时,或对外部事件进行计数,因而需要在单片机内部设置定时器/计数器部件。串行口1个全双工的串行口,具有4种工作方式。可用来进行串行通信,扩展并行I/O口,东北石油大学本科生毕业设计(论文)8甚至与多个单片机相连构成多机系统,从而使单片机的功能更强且应用更广。STC89C51的基本操作如图2-2所示,在C2和C3之间接一只石英振荡晶体构成了单片机的时钟电路,电路中的电容C2和C3典型值通常选择为33pF。电容的大小会影响振荡频率器的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率的范围通常是1.2MHZ到12MHZ之间。晶振的频率越高,则系统的时钟频率也就越高,单片机的运行速度也就越快。晶振和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠的近些,以减少寄生电容,更好的保证振荡器的稳定性、可靠的工作。为了提高温度稳定性,应采用温度稳定性好的电容。STC89C51复位引脚RST/Vpd通过片内一个施密特触发器(抑制噪声作用)与片内复位电路相连,施密特触发器的输出在每一个机器周期由复位电路采样一次。当振荡电路工作,并且在RST引脚上加一个至少保持2个机器周期的高电平时,就能使STC89C51完成一次复位。复位不影响RAM的内容。复位后,PC指向0000H单元,使单片机从起始地址0000H单元开始重新执行程序。所以,当单片机运行出错或进入死循环时,可按复位键重新启动。MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路相连,施密特触发器用来抑制噪声,在每一个机器周期的S5P2,施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次,然后才能得到内部复位操作所需的信号。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种复位方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。当电源接通时只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现上电自动复位。按键手动复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位两种方式。其中电平复位是通过RST端经电阻和电源Vcc接通而实现的;当时钟频率选用6MHZ时,C1取22uF,Rs取0.2K欧姆,Rk1欧姆。脉冲复位则是利用RC微分电路产生的脉冲来实现的。复位电路参数的选择应能保证复位高电平持续时间大于2个机器周期。关于复位还有一个就是“看门狗”技术,它就是使用一个计数器不断的进行计数,监视程序循环运行。若发现时间超过已知的循环设定时间,则认为系统陷入了死循环,这是计数器溢出,然后强迫系统进行复位,在复位如后0000H处安排一段出错处理程序,使系统运行进入正轨。在单片机系统运行时,有可能发生电源掉电的意外情况,一些重要的数据可能丢失。这时要求系统应首先检测到电源的变化,然后通过切换电路把备用电池接入系统,以保护RAM中的数据不丢失。目前看门狗电路已经集成到一些处理器监控芯片中,集成化程度较高,功能齐全,具有广阔的应用前景。在单片机系统中使用微处理器监控芯片,可以大大提高单片机应用系统的抗干扰能力和可靠性。P1.0VccP1.1p0.0P1.2p0.1P1.3p0.2P1.4p0.3P1.5p0.4P1.6p0.5P1.7p0.6RST/Vpbp0.7P3.0EA/VppP3.1ALE/PROGP3.2PSENP3.3P2.740393837363534333231302928123456786410111213VccVccCSW-PBS3东北石油大学本科生毕业设计(论文)9图2-2STC89C51基本操作电路2.4本章小结本章通过对单片机的简介,使我们对其有了更深的认识,本设计是以单片机STC89C51为核心的控制系统,本节着重对微处理器、数据存储器、串行口、中断系统、定时器和基本操作等做了较为详细的介绍,为后续编辑程序、电路连接等工作奠定了理论基础。GNDRs0.2KR110KGNDGNDC233PFC333PFY1东北石油大学本科生毕业设计(论文)10第3章遥控直升飞机组件与安装3.1直升机的基本理论旋翼头是直升机中最神奇,也是最关键的部件。直升机的绝大多数性质,比如稳定性、灵活性,包括所谓操纵感觉,都是由旋翼头决定的。遥控直升机的旋翼头采用贝尔-希拉操纵方式,也就是一对主旋翼,产生升力,同时靠一对小翼控制升力的方向,从而达到控制直升机的目的。3.1.1陀螺效应所谓陀螺效应,就是旋转着的物体具有像陀螺一样的效应。陀螺有两个特点进动性和定轴性。当高速旋转的陀螺遇到外力时,它的轴的方向是不会随着外力的方向发生改变的,而是轴围绕着一个定点进动。陀螺在地上旋转时轴会不断地扭动,这就是进动不考虑章动。图3-1是陀螺效应的示意图图3-1陀螺效应示意图在上图中,圆盘是陀螺。L是圆盘的角动量,其大小是RMv或者I。由于在力学中,有MdL/dt,所以M和dL方向相同。这直接导致了高速转动的陀螺在受到F后,整个陀螺以X轴为转轴转动而不是以Y轴为转轴。这就是神奇的陀螺效应。这种效应一直伴随着直升机的飞行。例如要使直升机仰俯,就必须要使直升机左右的升力不平衡而不是使其前后不平衡。基于这种原理我们下面就来解释遥控直升机的所谓贝尔-希拉操纵方式。dLRFXYMLL东北石油大学本科生毕业设计(论文)113.1.2贝尔-希拉操纵方式的初步分析在遥控直升机中,主旋翼就是一个大陀螺,它本身具有陀螺效应。当我们改变主旋翼倾角时,直升机的运动状态就会发生改变。但同时,如果用舵机直接改变主旋翼的倾角来控制飞机,问题是很多的。首先,主旋翼倾角的改变需要较大的力矩。如果用十字盘直接控制的话,强大的、交变的力矩将会直接作用到舵机上。这样舵机将会受到很大负荷,操纵精度会严重下降。第二,当直升机受到轻微扰动后,由于陀螺的进动性,直升机将不会恢复原来状态,而是绕着垂线方向进动。由于重力不通过旋翼头中心,所以造成力矩的产生,从而导致主旋翼发生进动。这个问题是严重的,会直接导致遥控直升机悬停及飞行时无法稳定。基于以上问题,贝尔-希拉操纵方式产生了。操纵过程是这样的(1)初始状态图3-2初始平衡状态希拉小翼由于空气和离心力作用,和主旋翼平面平行。此时两片主旋翼升力相等,飞行状态不发生变化。(2)操纵时主旋翼平面希腊小翼平面十字盘东北石油大学本科生毕业设计(论文)12图3-30度、180度状态图3-490度、270度状态上图为同一个视角,主旋翼转动到不同角度时的状态。在图3-3中,操纵者将十字盘倾斜。希拉小翼就与空气呈10倾角。由于空气的作用,希拉小翼在图3-3位置受力。由于陀螺效应,希拉小翼不会在图3-3位置立即上抬,而是在转过90后在上图3-4位置上抬。于是希拉小翼旋转平面与主旋翼平面呈10夹角并稳定于此。在图3-4中,我们清晰地看见,由于希拉小翼通过连杆控制着主旋翼的倾角,所以希拉小翼旋转平面的改变导致了主旋翼与空气产生夹角。从而使主旋翼在图3-4位置受力。由于陀螺效应,主旋翼不会在图3-4位置立即上抬,而是在转过90后在图3-3位置上抬。从而使得主旋翼平面趋于平行于希拉小翼。至此,遥控直升机主旋翼平面的倾转过程已经分析完毕。我们看到,遥控直升机的倾转总是希拉小翼旋转平面先倾转,主旋翼平面跟上趋于平行的过程。有意思的是,在这一过程中主旋翼操纵的负荷被希拉小翼完全承担。舵机只需承担操纵希拉小翼的负荷。这就有效地化解了一般操纵方式舵机负荷过重的问题。主旋翼平面希腊小翼平面十字盘80100主旋翼平面希腊小翼平面十字盘东北石油大学本科生毕业设计(论文)13下面再来初步分析希拉小翼对遥控直升飞机稳定性带来的好处。为此,我们来看贝尔-希拉操纵系统的干扰-稳定过程(1)初始状态图3-5初始平衡状态希拉小翼由于空气和离心力作用,和主旋翼平面平行。此时两片主旋翼升力相等,飞行状态不发生变化(2)外界气流对飞机进行干扰。当遇到气流时,由于主旋翼的旋转,会导致左、右主旋翼相对于空气的速度不同,从而产生力矩,使飞机偏离平衡位置。如图3-6所示图3-6气流干扰下的主旋翼失衡状态在上图中,飞机机身及主旋翼平面由于干扰而失去平衡位置。但由于希拉小翼采用对称翼型,不会受到外界干扰。由于陀螺效应的定轴性,希拉小翼平面保持不变。所以此时主旋翼平主旋翼平面水平方向十字盘机身方向风向100垂直方向主旋翼平面希腊小翼平面十字盘东北石油大学本科生毕业设计(论文)14面由于与希拉小翼平面有夹角而产生恢复力矩,抵抗外界干扰。这就是贝尔-希拉控制方式的自稳定过程。也正是这个过程,使得遥控直升飞机避免了被干扰后就陷于进动的问题。同时,当直升飞机高速前进时,由于左、右主旋翼相对空气的速度不同,会导致力矩的产生,使飞机抬头的现象也被这种贝尔-希拉控制方式有效抑制,从而有效地提高了遥控直升飞机的可操纵性。值得注意的是,贝尔-希拉自稳定过程不能抑制过强的干扰。原因是希拉小翼旋转平面保持原来运动状态的同时,由于机身的倾斜,小翼与空气平面会产生夹角,从而破坏小翼原来的运动状态。如图3-7所示图3-7希拉小翼平面与空气平面之间的角由于角的存在,希拉小翼旋转平面会向主旋翼旋转平面方向旋转,最后趋于平行。所以贝尔-希拉的自稳定过程是有限的。还需要其他手段(比如使希拉小翼不太灵敏)来增加稳定性。3.2直升飞机各组件名称与作用模型飞机一般与载人的飞机一样,主要由机翼、尾翼、机身、起落架和发动机等几部分组成。(1)机翼是模型飞机在飞行时产生升力的装置,并能保持模型飞机飞行时的横侧安定。(2)尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼两部分。水平尾翼可保持模型飞机飞行时的俯仰安定,垂直尾翼保持模型飞机飞行时的方向安定。水平尾翼上的升降舵能控制模型飞机的升降,垂直尾翼上的方向舵可控制模型飞机的飞行方向。(3)机身将模型的各部分联结成一个整体的主干部分叫机身。同时机身内可以装载必要的控制机件,设备和燃料等。(4)起落架供模型飞机起飞、着陆和停放的装置。前部一个起落架,后面两面三个起落架叫前三点式;前部两面三个起落架,后面一个起落架叫后三点式。(5)发动机固定座安装发动机的固定基座,可分成与机架一体及分离型两种。希拉小翼旋转平面十字盘机身方向风向垂直方向东北石油大学本科生毕业设计(论文)15(6)尾管支承尾部传动的部分。(7)起落架用于起降的装置。(8)尾部支撑杆用于防止尾管发生共振现象;是用来增加机架和尾管强度的部件。(9)尾传动轴(尾传动皮带)将尾驱动装置所产生的动力传达到尾齿轮组的旋转轴,一般用

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