本發(fā)明涉及遙控直升飛機(jī)技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種遙控直升飛機(jī)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù):
人類自古以來(lái)就幻想著飛行。在載人的航空器出現(xiàn)之前,人類就創(chuàng)造了許多能飛行的航空模型,不斷地探索著飛行的奧秘。距今2000多年前的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期,我們的祖先就制作出能飛的木鳥(niǎo)模型。另外,還制作出種類繁多的孔明燈、風(fēng)箏和竹蜻蜓等。美國(guó)的萊特兄弟是世界上第一架飛機(jī)的制造者,他們的飛機(jī)在1903年12月17日試飛成功。
在飛機(jī)發(fā)明之前,航空模型具有強(qiáng)烈的探索性質(zhì),在飛機(jī)發(fā)明之后,航空模型仍然是研究航空科學(xué)的必要工具。每一種新飛機(jī)的試制,都要先在風(fēng)洞里用模型進(jìn)行試驗(yàn),甚至連航天飛機(jī)這樣先進(jìn)的航空器,也要經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)階段,取得必要的數(shù)據(jù),才能獲得成功。
航空模型是很有實(shí)用價(jià)值的器具。我國(guó)漢代就有用風(fēng)箏測(cè)量距離和傳遞信息的。隨著航空模型的發(fā)展,特別是無(wú)線電遙控模型飛機(jī)的日臻完善,航空模型的用途越來(lái)越廣泛。
可以利用無(wú)線電遙控模型飛機(jī)作為部隊(duì)和民兵對(duì)空射擊訓(xùn)練的靶機(jī)。在訓(xùn)練的時(shí)候,通過(guò)無(wú)線電遙控設(shè)備控制航模靶機(jī)完成直線飛行、轉(zhuǎn)彎、上升、俯沖等飛行動(dòng)作,甚至在靶機(jī)上完成空投降落傘、發(fā)射模型火箭、投放炸彈、施放拖靶等特技動(dòng)作。在實(shí)彈射擊時(shí)候,可以在航模靶機(jī)尾部幾十米遠(yuǎn)處拖拽一個(gè)彩色靶袋,以靶袋作為目標(biāo),避免擊毀靶機(jī)。在無(wú)線電遙控模型飛機(jī)上裝上攝影機(jī),就可以對(duì)地面進(jìn)行航空攝影,拍攝一些人們不容易接近的野生動(dòng)植物,甚至可以拍攝一些危險(xiǎn)性很大的驚險(xiǎn)鏡頭或戰(zhàn)斗場(chǎng)面等。
航空模型是普及航空知識(shí)的玩具。航?;顒?dòng)是很多航模愛(ài)好者和廣大青少年學(xué)生喜歡參加的課外活動(dòng)。這不僅是學(xué)生的年齡層次決定的,更重要的是航?;顒?dòng)集科技性、知識(shí)性、趣味性、競(jìng)技性、實(shí)踐性等優(yōu)點(diǎn),對(duì)鍛煉青少年動(dòng)手動(dòng)腦能力,促進(jìn)全面素質(zhì)的提高,有著十分積極的作用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明涉及遙控直升飛機(jī)技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種遙控直升飛機(jī)設(shè)計(jì)。本發(fā)明以單片機(jī)stc89c51基礎(chǔ),通過(guò)紅外控制直升機(jī)的平衡、上升、下降、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)遙控航模直升機(jī)的目的;本發(fā)明通過(guò)兩個(gè)操作桿控制遙控器輸出的紅外信號(hào),當(dāng)單片機(jī)接收有效的輸入信號(hào),經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制處理后,將信號(hào)傳給電動(dòng)機(jī),通過(guò)前后電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)動(dòng)控制直升飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
附圖說(shuō)明
圖1:陀螺效應(yīng)示意圖。
圖2:初始平衡狀態(tài)圖。
圖3:0度、180度狀態(tài)圖。
圖4:90度、270度狀態(tài)圖。
圖5:初始平衡狀態(tài)圖。
圖6:氣流干擾下的主旋翼失衡狀態(tài)圖。
圖7:希拉小翼平面與空氣平面之間的β角圖。
圖8:紅外發(fā)射電路圖。
圖9:遙控接收器主程序流程圖。
圖10:紅外接收電路圖。
圖11:pwm降壓斬波器原理電路及輸出電壓波形圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
本發(fā)明涉及遙控直升飛機(jī)技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種遙控直升飛機(jī)設(shè)計(jì)。本發(fā)明以單片機(jī)stc89c51基礎(chǔ),通過(guò)紅外控制直升機(jī)的平衡、上升、下降、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)遙控航模直升機(jī)的目的;本發(fā)明通過(guò)兩個(gè)操作桿控制遙控器輸出的紅外信號(hào),當(dāng)單片機(jī)接收有效的輸入信號(hào),經(jīng)過(guò)單片機(jī)控制處理后,將信號(hào)傳給電動(dòng)機(jī),通過(guò)前后電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)動(dòng)控制直升飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
進(jìn)一步的,本發(fā)明的旋翼頭是直升機(jī)中最神奇,也是最關(guān)鍵的部件。直升機(jī)的絕大多數(shù)性質(zhì),比如穩(wěn)定性、靈活性,包括所謂操縱感覺(jué),都是由旋翼頭決定的。遙控直升機(jī)的旋翼頭采用貝爾-希拉操縱方式,也就是一對(duì)主旋翼,產(chǎn)生升力,同時(shí)靠一對(duì)小翼控制升力的方向,從而達(dá)到控制直升機(jī)的目的。
進(jìn)一步的,所謂陀螺效應(yīng),就是旋轉(zhuǎn)著的物體具有像陀螺一樣的效應(yīng)。陀螺有兩個(gè)特點(diǎn):進(jìn)動(dòng)性和定軸性。當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺遇到外力時(shí),它的軸的方向是不會(huì)隨著外力的方向發(fā)生改變的,而是軸圍繞著一個(gè)定點(diǎn)進(jìn)動(dòng)。陀螺在地上旋轉(zhuǎn)時(shí)軸會(huì)不斷地扭動(dòng),這就是進(jìn)動(dòng)。圖1是陀螺效應(yīng)的示意圖,在圖1中,圓盤是陀螺。l是圓盤的角動(dòng)量,其大小是r×mv或者iω。由于在力學(xué)中,有m=dl/dt,所以m和dl方向相同。這直接導(dǎo)致了高速轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺在受到f后,整個(gè)陀螺以x軸為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)而不是以y軸為轉(zhuǎn)軸。這就是神奇的陀螺效應(yīng)。這種效應(yīng)一直伴隨著直升機(jī)的飛行。例如:要使直升機(jī)仰俯,就必須要使直升機(jī)左右的升力不平衡而不是使其前后不平衡?;谶@種原理我們下面就來(lái)解釋遙控直升機(jī)的所謂貝爾-希拉操縱方式。
進(jìn)一步的,在遙控直升機(jī)中,主旋翼就是一個(gè)大陀螺,它本身具有陀螺效應(yīng)。當(dāng)我們改變主旋翼傾角時(shí),直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就會(huì)發(fā)生改變。但同時(shí),如果用舵機(jī)直接改變主旋翼的傾角來(lái)控制飛機(jī),問(wèn)題是很多的。首先,主旋翼傾角的改變需要較大的力矩。如果用十字盤直接控制的話,強(qiáng)大的、交變的力矩將會(huì)直接作用到舵機(jī)上。這樣舵機(jī)將會(huì)受到很大負(fù)荷,操縱精度會(huì)嚴(yán)重下降。第二,當(dāng)直升機(jī)受到輕微擾動(dòng)后,由于陀螺的進(jìn)動(dòng)性,直升機(jī)將不會(huì)恢復(fù)原來(lái)狀態(tài),而是繞著垂線方向進(jìn)動(dòng)。由于重力不通過(guò)旋翼頭中心,所以造成力矩的產(chǎn)生,從而導(dǎo)致主旋翼發(fā)生進(jìn)動(dòng)。這個(gè)問(wèn)題是嚴(yán)重的,會(huì)直接導(dǎo)致遙控直升機(jī)懸停及飛行時(shí)無(wú)法穩(wěn)定。基于以上問(wèn)題,貝爾-希拉操縱方式產(chǎn)生了。操縱過(guò)程是這樣的:
(1)初始狀態(tài)如圖2所示,希拉小翼由于空氣和離心力作用,和主旋翼平面平行。此時(shí)兩片主旋翼升力相等,飛行狀態(tài)不發(fā)生變化;
(2)操縱狀態(tài):圖2為同一個(gè)視角,主旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)到不同角度時(shí)的狀態(tài)。在圖3中,操縱者將十字盤傾斜。希拉小翼就與空氣呈10°傾角。由于空氣的作用,希拉小翼在圖3位置受力。由于陀螺效應(yīng),希拉小翼不會(huì)在圖3位置立即上抬,而是在轉(zhuǎn)過(guò)90°后在上圖4位置上抬。于是希拉小翼旋轉(zhuǎn)平面與主旋翼平面呈10°夾角并穩(wěn)定于此。在圖4中,我們清晰地看見(jiàn),由于希拉小翼通過(guò)連桿控制著主旋翼的傾角,所以希拉小翼旋轉(zhuǎn)平面的改變導(dǎo)致了主旋翼與空氣產(chǎn)生夾角。從而使主旋翼在圖4位置受力。由于陀螺效應(yīng),主旋翼不會(huì)在圖4位置立即上抬,而是在轉(zhuǎn)過(guò)90°后在圖3位置上抬。從而使得主旋翼平面趨于平行于希拉小翼。至此,遙控直升機(jī)主旋翼平面的傾轉(zhuǎn)過(guò)程已經(jīng)分析完畢。我們看到,遙控直升機(jī)的傾轉(zhuǎn)總是希拉小翼旋轉(zhuǎn)平面先傾轉(zhuǎn),主旋翼平面跟上趨于平行的過(guò)程。有意思的是,在這一過(guò)程中主旋翼操縱的負(fù)荷被希拉小翼完全承擔(dān)。舵機(jī)只需承擔(dān)操縱希拉小翼的負(fù)荷。這就有效地化解了一般操縱方式舵機(jī)負(fù)荷過(guò)重的問(wèn)題。
進(jìn)一步的,貝爾-希拉操縱系統(tǒng)的干擾-穩(wěn)定過(guò)程:
(1)初始狀態(tài)如圖5所示,希拉小翼由于空氣和離心力作用,和主旋翼平面平行。此時(shí)兩片主旋翼升力相等,飛行狀態(tài)不發(fā)生變化。
(2)外界氣流對(duì)飛機(jī)進(jìn)行干擾。當(dāng)遇到氣流時(shí),由于主旋翼的旋轉(zhuǎn),會(huì)導(dǎo)致左、右主旋翼相對(duì)于空氣的速度不同,從而產(chǎn)生力矩,使飛機(jī)偏離平衡位置。如圖6所示,飛機(jī)機(jī)身及主旋翼平面由于干擾而失去平衡位置。但由于希拉小翼采用對(duì)稱翼型,不會(huì)受到外界干擾。由于陀螺效應(yīng)的定軸性,希拉小翼平面保持不變。所以此時(shí)主旋翼平面由于與希拉小翼平面有夾角而產(chǎn)生恢復(fù)力矩,抵抗外界干擾。這就是貝爾-希拉控制方式的自穩(wěn)定過(guò)程。也正是這個(gè)過(guò)程,使得遙控直升飛機(jī)避免了被干擾后就陷于進(jìn)動(dòng)的問(wèn)題。同時(shí),當(dāng)直升飛機(jī)高速前進(jìn)時(shí),由于左、右主旋翼相對(duì)空氣的速度不同,會(huì)導(dǎo)致力矩的產(chǎn)生,使飛機(jī)抬頭的現(xiàn)象也被這種貝爾-希拉控制方式有效抑制,從而有效地提高了遙控直升飛機(jī)的可操縱性。值得注意的是,貝爾-希拉自穩(wěn)定過(guò)程不能抑制過(guò)強(qiáng)的干擾。原因是希拉小翼旋轉(zhuǎn)平面保持原來(lái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的同時(shí),由于機(jī)身的傾斜,小翼與空氣平面會(huì)產(chǎn)生夾角,從而破壞小翼原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。如圖7所示,由于β角的存在,希拉小翼旋轉(zhuǎn)平面會(huì)向主旋翼旋轉(zhuǎn)平面方向旋轉(zhuǎn),最后趨于平行。所以貝爾-希拉的自穩(wěn)定過(guò)程是有限的。還需要其他手段(比如使希拉小翼不太靈敏)來(lái)增加穩(wěn)定性。
進(jìn)一步的,本發(fā)明的紅外遙控是單工的紅外通信方式,整個(gè)通信中,需要一個(gè)發(fā)射端和一個(gè)接收端。發(fā)送端采用單片機(jī)將待發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)編碼調(diào)制為一系列的脈沖串信號(hào),通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號(hào)。紅外接收端普遍采用價(jià)格便宜,性能可靠的一體化紅外接收管接收紅外信號(hào),它同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、放大、檢波、整形,得到相應(yīng)的信號(hào),再送給單片機(jī),經(jīng)單片機(jī)控制相關(guān)的被控對(duì)象。該系統(tǒng)的軟件主要可以分為紅外發(fā)射、紅外接收和電機(jī)控制三部分,其中具體有單片機(jī)初始化程序、紅外發(fā)射編碼和紅外接收解碼程序和產(chǎn)生pwm信號(hào)等模塊。
進(jìn)一步的,當(dāng)某個(gè)操作按鍵按下時(shí),單片機(jī)先讀出鍵值,然后根據(jù)鍵值設(shè)定遙控碼的脈沖個(gè)數(shù),再調(diào)制成38khz方波由紅外發(fā)光管發(fā)射出去。通常,紅外遙控是將遙控信號(hào)(二進(jìn)制脈沖碼)調(diào)制在38khz的載波上,經(jīng)緩沖放大后送至紅外發(fā)光二極管,轉(zhuǎn)化為紅外信號(hào)發(fā)射出去的。為了提高抗干擾性能和降低電源消耗,將上述的遙控編碼脈沖對(duì)頻率為38khz(周期為26us)的載波信號(hào)進(jìn)行脈幅調(diào)制(pwm),再經(jīng)緩沖放大后送到紅外發(fā)光管,將遙控信號(hào)發(fā)射出去。紅外信號(hào)發(fā)射過(guò)程:首先裝入發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)(發(fā)射時(shí)為3ms脈沖,停發(fā)時(shí)為1ms脈沖),此時(shí)若發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)為1則返回主程序,若不為1則發(fā)1ms脈沖,然后停發(fā)1ms脈沖,這樣便結(jié)束整個(gè)發(fā)射過(guò)程。在實(shí)踐中,采用紅外線遙控方式時(shí),由于受遙控距離,角度等影響,使用效果不是很好,如采用調(diào)頻或調(diào)幅發(fā)射接收碼,可提高遙控距離,并且沒(méi)有角度影響。
進(jìn)一步的,本發(fā)明的遙控發(fā)射器采用碼分制遙控方式,碼分制紅外遙控就是指令信號(hào)產(chǎn)生電路以不同的脈沖編碼(不同的脈沖數(shù)目及組合)代表不同的控制指令。單片機(jī)遙控發(fā)射器主要由單片機(jī)、操作桿、紅外發(fā)射電路三部分組成。單片機(jī)部分主要完成遙控發(fā)射器發(fā)射過(guò)程的控制。單片機(jī)選用stc89c51,其中p0.7用于輸出方波信號(hào)控制紅外發(fā)射電路的工作,遙控器信息碼由stc89c51單片機(jī)的定時(shí)器1中斷產(chǎn)生38khz紅外方波信號(hào),由p0.7口輸出,經(jīng)過(guò)三極管進(jìn)行放大,由紅外發(fā)射管發(fā)送,改變滑動(dòng)變阻的阻值大小可以改變紅外發(fā)射的距離。在確定選擇stc89c51作為本設(shè)計(jì)發(fā)射電路核心芯片和點(diǎn)觸式開(kāi)關(guān)作為控制鍵后,加上一個(gè)簡(jiǎn)單紅外發(fā)射電路和12m晶體震蕩器便可實(shí)現(xiàn)紅外發(fā)射。發(fā)射部分的主要元件為紅外發(fā)光二極管。它實(shí)際上是一只特殊的發(fā)光二極管,由于其內(nèi)部材料不同于普通發(fā)光二極管,因而在其兩端施加一定電壓時(shí),它發(fā)出的便是紅外線而不是可見(jiàn)光。目前大量使用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)為940nm左右,外形與普通的發(fā)光二極管相同,只是顏色不同。遙控發(fā)射通過(guò)操作桿產(chǎn)生具有不同的編碼數(shù)字脈沖,這種代碼指令信號(hào)調(diào)制在38khz的載波上,激勵(lì)紅外光二極管產(chǎn)生不同的脈沖,通過(guò)空間的傳送到受控機(jī)的遙控接收器。p1口作為按鍵部分,p0.7口作為紅外發(fā)射部分。電路圖如圖8所示。
進(jìn)一步的,本發(fā)明的紅外遙控接收部分的主程序和初始化程序如下:首先進(jìn)行初始化,然后檢查是否有接收標(biāo)志位,若有則調(diào)用相應(yīng)的操作程序,然后清零中斷標(biāo)志位。當(dāng)紅外線接收器輸出脈沖幀數(shù)據(jù)時(shí),第一位碼的低電平(3ms)將啟動(dòng)中斷程序,實(shí)施接收數(shù)據(jù)幀的操作。在數(shù)據(jù)幀接收時(shí),將對(duì)第一位(起始位)碼的碼寬進(jìn)行驗(yàn)證。若第一位低電平碼的脈寬小于3ms,將作為錯(cuò)誤碼處理。當(dāng)間隔位的高電平脈寬大于2ms時(shí),結(jié)束接收,然后根據(jù)累加器a中的脈沖個(gè)數(shù),調(diào)用相應(yīng)的操作程序,執(zhí)行相應(yīng)輸出口的操作。接收端程序流程圖如圖9所示,首先判斷低電平脈沖寬度是否大于2ms,若脈寬不到3ms,則中斷返回;若低電平脈寬大于2ms,則進(jìn)行接收并對(duì)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),然后判斷高電平脈沖寬度是否大于2ms,若高電平脈寬不到2ms,則返回上一接收計(jì)數(shù)過(guò)程再次進(jìn)行計(jì)數(shù);若高電平脈寬大于2ms,則按照統(tǒng)計(jì)的脈沖個(gè)數(shù)調(diào)用相應(yīng)的操作程序。此時(shí)中斷返回。紅外接收電路:在接收過(guò)程中,信號(hào)經(jīng)過(guò)hs0038紅外一體化紅外接收管,此信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)、放大、檢波、整形在送到單片機(jī)中,從而完成相應(yīng)的遙控功能。接收電路圖見(jiàn)圖10。紅外遙控器將遙控信號(hào)(二進(jìn)制脈沖碼)調(diào)制在38khz的載波上,經(jīng)緩沖放大后送至紅外發(fā)光二極管,產(chǎn)生紅外信號(hào)發(fā)射出去。將上述的遙控編碼脈沖對(duì)頻率為38khz(周期為26μs)的載波信號(hào)進(jìn)行脈幅調(diào)制(pam),再經(jīng)緩沖放大后送到紅外發(fā)光管,將遙控信號(hào)發(fā)射出去。根據(jù)遙控信號(hào)編碼和發(fā)射過(guò)程,遙控信號(hào)的識(shí)別-即解碼過(guò)程是去除38khz載波信號(hào)后識(shí)別出二進(jìn)制脈沖碼中的0和1。由mcs—51系列單片機(jī)stc89c51、一體化紅外接收頭、還原調(diào)制與紅外發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路組成。一體化紅外接收管hs0038的解調(diào)可以理解為:接收到紅外脈沖串時(shí),輸出低電平,否則輸出高電平,顯然輸出的信號(hào)極性與發(fā)送信號(hào)的相反。所以解碼時(shí)要將接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)反向才能和發(fā)送信號(hào)編碼一致。當(dāng)接收端接收到表示傳輸開(kāi)始的同步幀后,接收單片機(jī)進(jìn)入解碼過(guò)程,解碼采用軟件抽樣判決。紅外遙控器接收部分由主程序、信號(hào)解碼子程序和執(zhí)行控制子程序,主程序負(fù)責(zé)初始化,檢查有無(wú)紅外信號(hào)。控制程序則隨各設(shè)備的不同而不同。hs0038可以直接對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行解調(diào),并將解調(diào)后的信號(hào)直接給微處理器進(jìn)行解碼和存儲(chǔ)。接收部分主要元件是紅外接收管,它是一種光敏二極管(實(shí)際上是三極管,基極為感光部分)。在實(shí)際應(yīng)用中要給紅外接收二極管加反向偏壓,它才能正常工作,亦即紅外接收二極管在電路中應(yīng)用時(shí)是反向運(yùn)用,這樣才能獲得較高的靈敏度。
進(jìn)一步的,本發(fā)明的脈寬調(diào)制技術(shù)是利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù),尤其是在對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面,可大大節(jié)省能量,pwm控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)為:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。圖11為pwm降壓斬波器的原理電路及輸出電壓波形。在圖a中,假定晶體管v1先導(dǎo)通t1,秒(忽略v1的管壓降,這期間電源電壓ud全部加到電樞上),然后關(guān)斷t2秒(這期間電樞端電壓為零)。如此反復(fù),則電樞端電壓波形如圖b中所示。電動(dòng)機(jī)電樞端電壓ua為其平均值。
以上所述僅為本發(fā)明專利的較佳實(shí)施例而已,并不用以限制本發(fā)明專利,凡在本發(fā)明專利的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。