复合式共轴双桨无人直升机系统介绍

一、用途及功能

用途：

复合式共轴双桨直升机是我公司经多年科研攻关，自主研发的具有国际先进水平的小型无人直升机。该机采用共轴双主旋翼形式，复合了尾桨设计，使安全和飞行稳定性、环境适应性均有所提高，目前在国内，该技术居领先或独有的地位。该机可在地势复杂的山区和舰船甲板上垂直起飞和降落，陆地、海上运载方便，可广泛应用于图像传输、对地观测、电子对抗、数据通讯、海上作战、中继转发、空中监测、电力巡线、高压架线、航空拍摄等领域。

功能：

1． 可以对侦察区域在不同高度进行侦察摄像，将图像实时回传。

2． 夜间对任务侦察区域，在不同高度进行红外摄像。

3． 其稳定的机械结构可使直升机自动进行悬停姿态，配合无线电操控系统进行手动或电脑辅助飞行又可提高航线精度。

4． 对于摄像和红外信号均具有实时传输、显示、记录、返放、硬拷贝、编辑等功能。

5． 系统采用2.4G无线传输，可在复杂的电磁环境下工作。

二、主要特点

一键起飞

定位降落

稳定悬停

空中任意回转

有效载荷大

续航时间长          

飞行稳定性强

低速近距拍摄

抗风能力强

1.该机采用了独创专利技术：共轴直升机增稳结构，通过在上旋翼设置稳定副翼和平衡杆显著增加了该机的飞行稳定性和操纵性。

2.该机型复合了传统直升机的尾桨设计，放弃了传统通过主旋翼桨距差变距来控制航向的工作方式，减轻了主旋翼工作负担，使其升降功能更为单一、在保证了共轴稳定性的同时，使直升机工作状态更为可靠，可避免急加速造成上下旋翼碰撞的意外。

3.该直升机采用了带尾旋翼的双主旋翼设计，直升机无论是主尾旋翼在飞行时都多了一种备份，是无论是单主旋翼、单尾旋翼，一对主尾旋翼，甚至是双尾旋翼发生故障或战损时，使直升机都能安全的返回。在发动机出现故障时，其结构也可使熄火降落过程更加的平稳，大大提高了飞行器的安全性。

三、主要技术指标

几何参数：

旋翼直径                               1.6米

桨叶片数                               2×2

起落架跨度                            0.4 米

机高                                      0.6 米

发动机功率                            26 cc

重量：

空机重量                               16  公斤

任务载重                                 5  公斤

最大起飞重量                        25  公斤

飞行性能：

海平面最大平飞速度                     80 公里/小时

海平面巡航速度                         50～60公里/小时

风力（飞行时）                         40公里/小时

（阵风50公里/小时）

风力（起降时）                     26公里/小时（无阵风）

实用升限                               1800 米

最大续航时间                           1 小时

最大航程                               60 公里

燃料:97号车用汽油＋高级摩托车2冲程油  25/30:1

启动方式

12v（45Ah以上）直流车用电瓶地面启动。发动机自带启动电机。

复合式共轴双桨无人直升机地面特写

与相同动力级别的传统直升机相比，共轴式直升机具有如下优点：

1.主旋翼直径小（因采用两副旋翼）；

2.飞行安全性高，直升机主尾旋翼均有备份设计，遇传统直升机的旋翼致命故障时也可使我们的直升机安全降落。（具有关资料显示，其中尾桨故障就占整个直升机的20%左右）；

3.共轴式双主旋翼，通过上下旋翼平衡反扭矩。使直升机在升降功率损耗上达到了最低（单主尾旋翼直升机损耗占总功率的15%。）；

4.共轴结构提高了发动机熄火后迫降的生存机率

5.气动效率高。根据有关资料显示：共轴式直升机在悬停、中低速飞行时的气动效率高。这正是无人直升机的主要作业状态；

6.由于气流对称，共轴式直升机纵横向运动的固有气动耦合小，更有利于实现直升机的飞行自动控制；

7.共轴式直升机在相同级别的发动机下，有效载荷较单桨直升机更大，更安全，体积相对较小，也便于更小的场地起降，适合更小的地面车辆进行运载。

复合式共轴双桨无人直升机飞行时的不同视角

四、系统组成

复合式共轴双桨无人直升机系统主要由飞行平台系统、飞行控制系统、遥控遥测系统、载荷设备等组成。

（一）飞行平台系统

1.  机体结构

复合式共轴双桨无人直升机设计在结构上力求安全可靠，在同级别发动机的情况下最大增加其任务载荷。

旋翼机整体采用合金铝材质，分为主旋翼、机体、尾传动三个主要部分。任务负载区位于机体下方，使其重心位置稳定在主轴下部，不影响全机重心点。

同时无人机的飞控计算机、传感器、电源及任务载荷等设备。该设备为遥控飞行（或自主飞行）的基本控制设备。外加任务载荷可按照其重量平均分配外挂在直升机机体两侧，不影响整机水平中心。

尾旋翼可按任务需求进行横纵向安装，纵向安装可作为推进式尾桨，大大提高飞行速度，悬停位的舵向调整可通过尾桨后方安装垂直方向舵的方式来实现。

直升机外罩采用玻璃纤维或碳纤维材质，内部采用发泡技术进行隔音。机头罩的作用是为减小前飞时的气动废阻力。如在低速飞行时也可不装机壳。降低前飞时的废阻力，从而降低直升机前飞时的需用功率，同时还可提高前飞速度。

2. 动力装置

复合式共轴双桨无人直升机的发动机目前选用活塞式发动机（以后可选用涡喷等技术，采用航煤燃料满足军用舰艇需求及高海拔地区的飞行），该发动自带冷却风扇、离心式离合器、手拉式启动。选用该发动机的主要原因是该发动机是用于直升机的，在实际的竞技航拍直升机上得以运用，工作稳定。特别是发动机装有冷却系统和离合器，提高了直升机的可靠性，减小了研制的风险和投入。同时，该发动机耗油率低，货源可靠、容易购买。

发动机自身的离合装置配合熄火降落模块，保证了直升机的飞行可靠性，即发动机停车后，也极大程度的保证了直升机安全降落。

3. 旋翼系统

 旋翼系统包括桨叶和桨毂，直升机通过旋转的桨叶产生升力来平衡重量和飞行阻力，同时产生前后左右的操纵力。

旋翼系统采用的翘翘板式。其特点是，省去了垂直铰和水平铰，只用一个悬挂铰，旋翼桨盘相对于旋翼轴的挥舞通过悬挂铰的摆动来实现。

4. 操纵系统

操纵系统主要包括舵机、变距拉杆、自动倾斜器等部件。舵机通过操纵系统实现旋翼的总距、周期变距和航向操纵。操纵系统用于控制直升机的姿态和航迹，改变直升机的运动状态。

5. 传动系统

传动系统的功能是：将发动机的动力按总体设计规定的路径、转速及转向传递给旋翼。传动系统由离合器、减速器、旋翼轴、尾传动轴组成。其功能是将发动机的输出功率按规定的比例传到传动轴。

6.起落架

起落架采用常规的滑橇式起落架，制造材料为高强合金铝材料。由模具拉伸成形。特点是重量轻、承载大。在起飞和着陆时，起落架对整个机身起到缓冲作用。

（二）飞控导航系统

目前飞控工作原理及配套可选型号较多，我们可按客户要求进行选配，下面列举其中一套飞控工作原理进行说明。

复合式共轴双桨无人直升机飞行控制和导航系统（自动驾驶仪）采用动态逆技术、H∞算法和扩展“卡曼”滤波技术。该技术达到国际先进水平。可以实现自主起飞、自主降落、自主任务飞行和地形匹配飞行等功能。

该系统在导航方面使用自适应扩展卡尔曼(EKF)算法,把IMU、地磁传感器、GPS、气压高度计和地形匹配高度计等传感器的数据进行深度融合,在恶劣条件下也可得到高精度高可靠的导航数据。

在建模方面使用了参数辨识算法,只需要采集手动飞行的数据便可以自动建立精确的直升机模型,然后生成控制器。不需要复杂的数学推导。大大减小了自动驾驶仪集成的风险,减少了集成的时间。

控制方面使用了自适应鲁棒控制。对风切变、任务负载突然变化等干扰有很强的鲁棒性,保证了飞行的安全。对机械磨损任务负载、重心等变化有很强的自适应性,保证了飞行的精度和安全。控制器可以进行速度控制也可以进行姿态控制,姿态控制有效的保证了恶劣条件下的飞行安全。

引导方面有遥控手柄、航路点和地形匹配等引导功能。在遥控手柄引导模式下可以根据遥控手柄的输入量产生引导数据,在保证安全飞行的前提下实现对飞机的速度控制。在航路点引导模式下直升机可以根据3D 航路点产生引导数据,实现直升机的3D 飞行。在地形匹配模式下可以根据地形数据产生引导数据,实现直升机的地形匹配飞行。

飞控导航系统的主要优点

 姿态和速度控制。正常情况下使用姿态稳定和速度控制,在出现较大的干扰情况下使用速度稳定和姿态控制,大大增加了飞行安全。

 实现了遥控手柄、航路点和地形匹配引导功能。可以由外环生成内环控制指令。

 通过自适应扩展卡尔曼(EKF)滤波实现GPS/INS捷联组合导航,对飞行负载、重心等变化的自适应性,大大提高了飞行精度和飞行安全。

 1G数据记录空间。(最大可扩展成8G)

 导航算法对震动和其他干扰适应能力强。即使在恶劣的震动情况下也能得到满意的导航数据。

 使用VxWorks操作系统,实时强,可靠性高,方便裁减,方便在不同硬件平台上移植。对硬件的依赖性低。

硬件和接口：

 嵌入式计算机系统

 ARM920T内核处理器

 2 G Flash (最大可扩成4G) 存储器

 64 MB SDRAM 内存

 GPS接收模块

 接收器类型: L1 频率,16通道,可差分.

 位置精度:2.0m CEP

 冷起设定时间: 40s

 IMU

 3 陀螺: +/- 100deg/s

 3 加速度计：+/- 4g 

 接口

 12通道PWM输入(12位精度)

 12通道PWM输出(12位精度) 

 5 路12 位精度的模拟量输入

 5路数字I/O通道(高3.3V,低0V)

 RS-232 接口：地磁传感器

 RS-232 接口：数据链

 2个RS-232接口：用户任务设备

 1 个以太网接口: 用于调试

参数

控制精度：水平2.5m，垂直1.8m，航向1.5 度

前飞速度：<25m/s(空速),爬升速度<4.5m/s,侧飞速度<4.5m/s.

尺寸：107×101×117mm

重量：1405 g

功耗: 412 mA (12V) (不包括舵机用电)

工作温度：-25 ℃～65 ℃

主要指标：

 导航：

GPS更新速率：1Hz

航点模式下可移动伺服舵机、可改变高度、空速；用户可自定义待命航线和错误处理方式、缓冲区可存储多达1000个航点命令。

（三）遥控遥测系统

遥控遥测系统主要由遥控遥测发射机、遥控遥测接收机、天线组成。地面发射机通过天线与机载接收机通讯，并将得到的信息通过地面计算机显示。机载接收机通过天线得到地面上行的指令并传送到机载计算机执行。

硬件基本配置：

 数传电台(RS232接口，波特率在4800以上)；

 发动机转速传感器（0-3V脉宽信号或0-5V电压模拟信号）；

 发动机温度传感器；

 油量传感器；

 电源；

地面站遥测的数据有：

  直升机速度、姿态、GPS星数、航路点属性；

  发动机转速、电池电压、链路告警、油量；

  当前指令，各个关键传感器的状态；

地面站控制界面

（四）任务载荷设备

载荷设备主要有气象载荷设备、电子侦察设备、通信中继设备、光学侦察设备等。光学侦察设备又分为可见光侦察设备和红外侦察设备，外加与光学侦察设备配套使用的微波视频传输系统。

 光学摄像设备技术指标：

采用1/4英寸CCD成像单元

具备智能防抖功能

最大312倍变焦（26倍光学，12倍数码）

视角：54.2°(广角端) ～2.2°(远端)

最低照度：1.01 lx

重量：230g

尺寸：55.3 x 57.5 x 88.5 mm

 红外摄像设备技术指标：

  探测器：非制冷型红外焦平面

  分辨率：320 x 256 像素

  视场角：36°(H) x 27°(V)

  使用温度：-40～80℃

五、飞行方式

 复合式共轴双桨无人直升机在空军装备部航空装备研究所内试飞

无人直升机的飞行状态包括垂直起降、悬停、爬升和平飞。系统根据用户需求在空中执行特定任务。

   无人直升机系统的飞行方式可分为四个等级：

 1、全自主程序控制飞行

直升机的飞行从起飞到降落完全按预先设定的航路点、高度、速度飞行。无人直升机的飞行完全由飞控导航系统控制。

2、半自主人工控制

直升机在飞行中，人员可随时通过地面站对无人直升机进行航迹、高度、速度控制。控制方式可通过鼠标、操纵杆、输入参数等方式进行。无人直升机的飞行是由操纵人员通过飞控导航系统进行实时控制。

3、姿态控制

操纵人员通过遥控器或操纵杆对无人直升机进行姿态操纵，向机载计算机发送姿态指令。机载计算机收到信号结算后操纵各通道舵机。从而改变直升机的俯仰、滚转及航向姿态角度。此时导航系统不起作用。

4、人工舵机控制

操纵人员直接遥控操纵纵向、横向、航向、总距、油门舵机。进行人工控制。此时飞控、导航系统均不起作用。

需要说明的是：直升机的一般工作状态均为超视距飞行。此时，地面人员只能通过地面站了解直升机的飞行状态和工作情况。无人直升机系统在任何飞行模式和状态下，均通过地面站进行监视和控制。

六、作业系统基本配置

（一）机载系统：

 无人直升机；

 飞控导航系统；

 数传 系统；

 图传 系统；

 稳定云台；

 GPS天线；

 遥控系统；

 高度传感器；

（二）地面站车载系统：

 车载地面站：中型面包车；

 内装固定2台电脑：

 1台用于飞控导航、任务规划、图形显示、机体状态监控

 1台用于图传显示，并进行图像处理，视频记录，故障诊断；

 车内设置滑轨固定装置，方便无人直升机的移动和固定；

 车内装载数传电台及天线；

 车内装载图传电台及天线；

 车内固定和安放无人直升机的维护设备、工具、燃油。

 车内配备汽油发电机或利用车体发动机发电。

 车应能装载3人（包括司机）；

 3人可完成无人直升机的飞行操纵和系统任务作业。

例：车载系统方案

 选用NJ2045SFD35型依维柯越野车作为载体进行改装。

 在对车改装时

1、 设计中结合人机工程，广泛采用新技术、新材料、新工艺，做到技术先进、性能可靠。

2、 要求尽可能不破坏车辆的外形结构，车内从驾驶员座后隔离，后车厢为控制中心。

3、 紧靠隔离墙设计主控台。

4、 主控台要求整体减震。

5、 主控台上安置显示器，计算机主机及部分测控设备。

6、 ＵＰＳ电源等设置在控制台内。

7、 设计时布线和安装必须考虑电磁兼容及减震，220V电源线要用PV管护套。

8、 主控台上方车顶安装照明灯。

附一：研制过程

1、设计生产验证机型2、进行系留测试3、对测试机型进行改进

4、请专家进行论证5、完善并确定机械结构6、专家进行评审验收

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