专利名称：微型无人直升机发动机转速定速器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种微型无人直升机发动机转速定速器，该转速定速器安装在微型无人直升机上，使微型无人直升机的发动机转速在飞行过程中保持恒定以维持稳定的动力输出，提高微型无人直升机的飞行稳定性，从而简化微型无人直升机的模型辨识和控制。
背景技术：
微型无人直升机是指自主控制飞行的可垂直起降不载人飞行器，由于其体积小、造价低、飞行机动性好、起飞着陆场地小，在军事、大气检测、交通监控、资源勘探、电力线路检测、森林防火等方面有着广泛的应用前景。目前，国内外一般采用在航模直升机上安装飞行控制系统的方法构造微型无人直升机，飞行控制系统对油门、总矩、俯仰、横滚、尾舵这5个舵机进行控制实现自动飞行。航模直升机一般由机架、主旋翼、尾旋翼、发动机、无线接收机、遥控器和5个舵机及相关部件组成，飞行控制系统一般由飞行控制计算机、舵机控制器、发动机转速定速器、惯性测量单元(IMU)、全球卫星定位系统(GPS)、电子罗盘、高度计、无线数传模块等电子设备组成[1，2，3，4]。本实用新型涉及的发动机转速定速器是上述飞行控制系统的一个组成部分，它负责转速-油门控制回路。目前，市场上尚无专门针对微型无人直升机的发动机转速定速器，一般采用航模专用的发动机转速定速器来控制微型无人直升机的发动机转速。这些航模专用的发动机转速定速器只能手动改变转速控制设定值且一般没有发动机转速信息数字输出接口，不便于微型无人直升机飞行控制计算机根据自主控制飞行的需要在线改变转速控制设定值和实时获得发动机转速信息，进而影响微型无人直升机的自动控制飞行，所以需要一种有计算机通讯接口、方便微型无人直升机飞行控制计算机使用的发动机转速定速器来取代现有产品。
参考文献[1]Alison A.Proctor，Suresh K.Kannan，Chris Raabe，“Development of anAutonomous Aerial Reconnaissance System at Georgia Tech”，2003Internatioanl Aerial Robotics Competition. Carl Drohomereski，Shaun Giebel，Matt Gafencu，“Technical Paper forInternational Aerial Robotics Competition”，2000 International AerialRobotics Competition. Jonathan M.Roberts，Peter I.Corke and Gregg Buskey，“Low-CostFlight Control System for a Small Autonomous Helicopter”，IEEEInternational Conference on Robotics on Robotics and Automation，vol.1，pp.546-551，2003. Lamela，H.，Ferreras，M.A.，Varo，A.J.，“Sensor and navigationsystem integration for autonomous unmanned aerial vehicle applications”，The 25th Annual Conference of the IEEE，vol.2，pp.535-540，1999.
发明内容
本实用新型旨在克服现有航模专用发动机转速定速器的不足，提供一种微型无人直升机发动机转速定速器。
微型无人直升机发动机转速定速器单片机分别与RS232转换电路、信号处理电路、磁隔离电路、舵机控制信号发生电路相接，RS232转换电路与微型无人直升机飞行控制计算机相接，信号处理电路与霍尔传感器电路相接，霍尔传感器电路安装在微型无人直升机发动机风扇旁，磁隔离电路与无线接收机信号输入接口、微型无人直升机无线接收机相接，舵机控制信号发生电路与磁隔离电路、舵机控制信号输出接口、微型无人直升机舵机相接。
本实用新型使微型无人直升机发动机转速在飞行过程中保持恒定，提高了飞行稳定性；通过RS232串行通讯接口与微型无人直升机飞行控制计算机配合实现微型无人直升机的发动机转速测量信号输出、5路舵机手动控制信号输出、转速控制设定值与控制参数在线修改、5路舵机控制及手自动切换，进而实现了自主控制飞行；安装方便、结构简单、性能可靠，也可作为航模发动机转速定速器，用于航模直升机发动机的转速控制，前景可观。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明
图1是微型无人直升机发动机转速定速器方框图；图2是本实用新型单片机主程序流程图；图3是本实用新型单片机外部中断处理程序流程图；图4是本实用新型单片机输出比较中断处理程序流程图；图5是本实用新型实施例的电路图。
具体实施方式
如
图1所示，单片机3分别与RS232转换电路8、信号处理电路2、磁隔离电路5、舵机控制信号发生电路6相接，RS232转换电路8与微型无人直升机飞行控制计算机9相接，信号处理电路2与霍尔传感器电路1相接，霍尔传感器电路1安装在微型无人直升机发动机风扇10旁，磁隔离电路5与无线接收机信号输入接口4、微型无人直升机无线接收机11相接，舵机控制信号发生电路6与磁隔离电路5、舵机控制信号输出接口7、微型无人直升机舵机12相接。
霍尔传感器电路1和信号处理电路2组成发动机转速检测电路；微型无人直升机发动机风扇1上装有磁珠，所述霍尔传感器电路1靠近安装在微型无人直升机发动机风扇10边以将磁珠随发动机转动产生的磁场变化信号转换成方波频率信号；霍尔传感器电路1输出端与信号处理电路2输入端相连接，以将反映发动机转速的频率信号转换为模拟量信号；信号处理电路2输出端与单片机3集成的A/D转换器模拟量输入端相连接，以将上述转换后的反映发动机转速的模拟量信号转换为数字信号并输入到单片机3中。所述无线接收机信号输入接口4连接微型无人直升机无线接收机11的油门、总矩、俯仰、横滚、尾舵5通道舵机手动控制信号输出，该接口输出端与磁隔离电路5、单片机3的I/O输入端顺序电连接，以将反映5路舵机手动控制信号的PWM信号输入到单片机3中；单片机3的I/O输出端、舵机控制信号发生电路6、磁隔离电路5、舵机控制信号输出接口7、微型无人直升机舵机12相连以控制油门、总矩、俯仰、横滚、尾舵5路舵机。RS232转换电路8与单片机3集成的UART接口直接电连接，以实现与微型无人直升机飞行控制计算机9的串行通讯。
本实用新型的工作原理是舵机控制信号为周期为22ms、高电平脉宽为1～2ms的PWM信号，单片机3内置程序利用外部中断配合定时器测量来自微型无人直升机无线接收机的5路PWM信号得到5路舵机手动控制信号，利用RS232串行通讯接口接收微型无人直升机飞行控制计算机9控制程序产生的除油门舵机外的4路舵机自动控制信号，油门舵机自动控制信号由单片机3内置的转速控制程序产生；舵机手动控制时，单片机3内置程序根据舵机手动控制信号利用定时器1输出比较功能在I/O输出端产生时序控制信号驱动舵机控制信号发生电路6产生相应的5路舵机控制信号；舵机自动控制时，单片机3内置程序根据舵机自动控制信号利用定时器1输出比较功能在I/O输出端产生时序控制信号驱动舵机控制信号发生电路6产生相应的5路舵机控制信号；这样便实现了舵机的手动控制和自动控制，每路舵机的手自动状态均可由单片机内置程序单独设置，油门舵机的手自动状态由转速控制程序设置，其余4路舵机手自动状态由微型无人直升机飞行控制计算机9根据需要发送相应的手自动切换命令设置。在微型无人直升机点火阶段，单片机3内置转速控制程序使油门舵机处于手动控制状态以实现手动点火；点火完成后，当发动机转速超过100转/s且油门舵机手动控制信号超过1/4时，油门舵机进入自动控制状态，单片机3内置程序运行前馈-模糊自整定PI控制算法，以总矩舵机输入信号为前馈变量、发动机转速信号为反馈变量、油门舵机输出信号为控制变量构成前馈-模糊自整定PI控制回路，将发动机转速保持在发动机转速控制设定值附近；当油门舵机手动控制信号小于1/4时，油门舵机进入手动控制状态以实现人工着陆，当转速检测电路失效而导致发动机转速测量值低于100转/s时，油门舵机也会进入手动控制状态以保证飞行安全；同时单片机3内置程序还将转速测量信号和5路舵机手动控制信号通过上述RS232串行通讯接口定时发送给微型无人直升机飞行控制计算机9；微型无人直升机飞行控制计算机9根据微型无人直升机飞行控制的需要通过RS232串行通讯接口发送改变转速控制设定值命令、改变转速控制参数命令、4路舵机自动控制信号和手自动切换命令，单片机3内置程序根据命令作出相应动作以实现微型无人直升机的自动控制飞行。
如图2所示，所述单片机3主程序为一循环程序，它在每22ms定时完成转速信号采集、油门手动控制或前馈-模糊自整定PI自动控制、向微型无人直升机飞行控制计算机9发送转速和舵机手动控制信号、处理微型无人直升机飞行控制计算机9发送的命令等任务。
如图3所示，所述外部中断处理程序由外部中断触发，测量来自微型无人直升机接收机11的PWM信号，本实用新型使用5个外部中断实现5路PWM信号测量。
如图4所示，所述输出比较中断处理程序由定时器1输出比较器A的输出比较中断触发，向舵机控制信号发生电路6发送时序信号，使其产生5路PWM信号以控制5路舵机。
如图5所示，本实用新型实施例包括霍尔传感器电路1、信号处理电路2、单片机3、无线接收机信号输入接口4、磁隔离电路5、舵机控制信号发生电路6、舵机控制信号输出接口7、RS232转换电路8和电源；所述霍尔传感器电路1输出反映发动机转速的方波频率信号，其输出端与所述信号处理电路2的频率信号输入端相接；所述信号处理电路2是一个频率/电压转换电路，它将来自所述霍尔传感器电路1的方波频率信号转换成模拟量信号并输出到所述单片机3的一个模拟量输入端，单片机3将接收到的信号进行模数转换和分析计算得到发动机转速数据；
所述无线接收机信号输入接口4与微型无人直升机无线接收机11相接，其输出为反映油门、总矩、俯仰、横滚、尾舵5个舵机手动控制信号的5路PWM信号，该输出经磁隔离电路5与单片机3的输入捕获端(ICP)、定时器0输入端、3个外部中断输入端电连接，ICP和定时器0输入端作为外部中断用，外部中断配合定时器1测量PWM信号高电平脉宽得到5路舵机手动控制信号数据；所述RS232转换电路8的TTL电平端与单片机3的UART端口相接，其RS232电平端与微型无人直升机飞行控制计算机9的串口相接，该电路提供TTL电平与RS232电平的互相转换；单片机3通过RS232转换电路8向微型无人直升机飞行控制计算机9发送发动机转速数据和舵机手动控制信号数据，接收改变转速控制设定值命令、改变转速控制参数命令、舵机自动控制信号、手自动切换命令。
所述单片机3的I/O输出端还与舵机信号发生电路6连接，单片机3内置程序利用定时器1的输出比较功能产生时序控制信号驱动舵机信号发生电路6产生控制5路舵机所需的5路PWM信号，该5路PWM信号经磁隔离电路5输入到舵机控制信号输出接口7，舵机控制信号输出接口7与油门、总矩、俯仰、横滚、尾舵5路舵机连接，以实现对这5路舵机的控制，各路舵机的手自动状态由微型无人直升机飞行控制计算机9发送的手自动切换命令和单片机3的内置转速控制程序设置；单片机3内置程序根据发动机转速数据和总矩舵机输入来控制油门舵机以将发动机转速稳定在设定值，发动机转速高于设定值时控制油门舵机减小油门，反之则加大油门；总矩舵机输入增大则发动机负载增大，转速降低，此时要增大油门以使发动机转速稳定在设定值，反之则减小油门；所述霍尔传感器电路1、信号处理电路2、单片机3、磁隔离电路5、舵机控制信号发生电路6、RS232转换电路8还与电源相接，并由该电源电路提供的+5V电源供电。
所述霍尔传感器电路1由霍尔元件H1(A3144)和分别连接于霍尔元件H1输出端与电源之间的电阻器R1构成；所述信号处理电路2由频率/电压转换器U1(LM2907)及其外围电阻器和电容器构成，电阻器R3、R4组成的分压电路为频率/电压转换器U1提供比较电压基准，该信号处理电路2输出电压与输入频率的关系为U＝5×R2×C28×f；所述的信号处理电路2为频率/电压转换器U1第2脚与第二十八电容C28一端相接，频率/电压转换器U1第3脚、第4脚与第二电阻R2、第二十九电容C29一端相接，频率/电压转换器U1第5脚与频率/电压转换器U1第10脚、第三电阻R3一端相接，频率/电压转换器U1第11脚与第四电阻R4一端、第五电阻R5一端相接，频率/电压转换器U1第8脚、第9脚、第三十电容C30一端、第四电阻R4另一端与电源相接，第二十八电容C28、第二十九电容C29、第三十电容C30、第二电阻R2、第三电阻R3、第五电阻R5另一端、频率/电压转换器U1第12脚接地。
所述单片机3由型号为Atmega16的单片机及其外围电路构成，Atmega16是Atmel最新生产的AVR RISC架构嵌入式微处理器产品，该单片机3工作于5V、16MHz晶振下时可以有16MIPS的性能，内含16K可系统内编程的flash，512字节的EEPROM和1K字节的片内SRAM，配置了方便调试的JTAG接口，可以通过这个接口进行片内调试、程序下载以及融丝位烧写，还有丰富的外围硬件接口，例如I2C、SPI、UART、AD、PWM和多个可编程T/O，该单片机3具有多种休眠模式，内部看门狗，内部RC振荡器，非常有利于开发低功耗小体积产品；所述无线接收机信号输入接口4由5个3针排针构成；所述磁隔离电路5是由4个ADI数字隔离器ADUM1200和1个ADI数字隔离器ADUM1201组成的5个数字隔离输入通道和5个数字隔离输出通道，ADUM1200和ADUM1201磁隔离器是ADI公司的iCoupler系列数字隔离器，它将CMOS与芯片级变压器技术相结合以便实现尺寸、成本和功耗均优于光电耦合器的隔离解决方案；所述舵机控制信号发生电路6为十进制计数器U3(CD4017)，十进制计数器U3接收单片机3的时序控制信号从其输出端口Q1、Q2、Q3、Q4、Q5输出5路PWM信号；所述舵机控制信号输出接口7由5个3针排针构成；所述RS232转换电路8由RS-232收发器U9(MAX232CSE)、DB9接插件COM1及其外围电容器构成；所述电源由11.1V锂电池组、保险丝、LM340稳压芯片及其外围二极管和电容器构成，保险丝F1和肖特基二极管D1在电路短路和电池组BT1反接时提供保护，电容器C24、C25起稳定输入电压作用，LM340将锂电池组电压稳压后输出+5V电压，电容器C26、C27起稳定输出电压作用，二极管D2在LM340输入端短路时起保护作用。
本实用新型的发动机转速定速器与航模专用的转速定速器相比，增加了RS232串行通讯功能、舵机手动控制信号测量功能、舵机控制功能和手自动切换功能，更加适合在微型无人直升机上使用，符合微型无人机技术发展的趋势。
权利要求1.一种微型无人直升机发动机转速定速器，其特征在于，单片机(3)分别与RS232转换电路(8)、信号处理电路(2)、磁隔离电路(5)、舵机控制信号发生电路(6)相接，RS232转换电路(8)与微型无人直升机飞行控制计算机(9)相接，信号处理电路(2)与霍尔传感器电路(1)相接，霍尔传感器电路(1)安装在微型无人直升机发动机风扇(10)旁，磁隔离电路(5)与无线接收机信号输入接口(4)、微型无人直升机无线接收机(11)相接，舵机控制信号发生电路(6)与磁隔离电路(5)、舵机控制信号输出接口(7)、微型无人直升机舵机(12)相接。
2.根据权利要求1所述的一种微型无人直升机发动机转速定速器，其特征在于，所述的信号处理电路(2)为频率/电压转换器(U1)第2脚与第二十八电容(C28)一端相接，频率/电压转换器(U1)第3脚、第4脚与第二电阻(R2)、第二十九电容(C29)一端相接，频率/电压转换器(U1)第5脚与频率/电压转换器(U1)第10脚、第三电阻R3一端相接，频率/电压转换器(U1)第11脚与第四电阻(R4)一端、第五电阻(R5)一端相接，频率/电压转换器(U1)第8脚、第9脚、第三十电容(C30)一端、第四电阻(R4)另一端与电源相接，第二十八电容(C28)、第二十九电容(C29)、第三十电容(C30)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第五电阻(R5)另一端、频率/电压转换器(U1)第12脚接地。
3.根据权利要求2所述的一种微型无人直升机发动机转速定速器，其特征在于，所述的频率/电压转换器(U1)为频率/电压转换器LM2907。
4.根据权利要求1所述的一种微型无人直升机发动机转速定速器，其特征在于，所述的舵机控制信号发生电路(6)为十进制计数器(U3)。
5.根据权利要求4所述的一种微型无人直升机发动机转速定速器，其特征在于，所述的十进制计数器(U3)为十进制计数器CD4017。
6.根据权利要求1所述的一种微型无人直升机发动机转速定速器，其特征在于，所述的磁隔离电路(5)是由4个ADI数字隔离器ADUM1200和1个ADI数字隔离器ADUM1201组成的5个数字隔离输入通道和5个数字隔离输出通道。
专利摘要本实用新型公开了一种微型无人直升机发动机转速定速器。单片机分别与RS232转换电路、信号处理电路、磁隔离电路、舵机控制信号发生电路相接，RS232转换电路与微型无人直升机飞行控制计算机相接，信号处理电路与霍尔传感器电路相接，霍尔传感器电路安装在微型无人直升机发动机风扇旁，磁隔离电路与无线接收机信号输入接口、微型无人直升机无线接收机相接，舵机控制信号发生电路与磁隔离电路、舵机控制信号输出接口、微型无人直升机舵机相接。本实用新型不仅实现了微型无人直升机发动机转速控制，而且实现了RS232串行通讯、舵机手动控制信号与转速信号测量、舵机控制及手自动切换，方便微型无人直升机实现自主控制飞行；也可用于航模直升机发动机转速控制，前景可观。
文档编号B64D31/08GK2854666SQ20052013426
公开日2007年1月3日 申请日期2005年12月26日 优先权日2005年12月26日
发明者徐玉, 韩波, 李平 申请人:浙江大学