一种共轴式无人直升机的高度控制稳定系统技术方案

一种共轴式无人直升机的高度控制稳定系统，由无线电高度表、大气数据计算机、总距舵机和设计的稳高线路板四部分组成，稳高线路板、无线电高度表和大气数据计算机安装在直升机的设备架上，总距舵机安装在直升机的舵机架上；其操纵方法有五大步骤：一：在地面控制站执行“自主稳高／遥控模态切换”指令，使直升机切换到自主稳高模态并发送给定飞行高度；二：系统采集高度与升降速度参数，并读取地面控制站发出的给定飞行高度参数；三：由低高度信号产生电路判断采用何种高度参数；四：系统按照设计的自主稳高控制规律，计算总距舵机的控制量δＨ；五：将直升机切换到手动遥控操纵直升机的飞行高度。本实用新型专利技术在无人直升机控制领域里有广阔的应用前景。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种共轴式无人直升机的高度控制稳定系统，属于无人直升机飞 行控制

技术介绍
从直升机执行的任务来看，将直升机稳定在给定高度上飞行是非常必要的。因此 用于直升机的自动驾驶仪一般都具有第四个通道即高度通道，用于控制稳定直升机的飞行尚度。共轴式无人直升机飞行高度的控制稳定在国内仍属空白，本技术提供了一种 共轴式无人直升机的高度控制稳定系统，该系统进行了综合性的技术设计考虑，使得控制 效果良好1)设计了原理如图2所示的低高度信号产生电路，使系统可以在无线电高度参 数和气压高度参数之间根据需要自动进行切换。并将切换高度设置成两个，可以减少由于 气动干扰或地形高低的变化所引起的系统在两种高度参数之间的频繁切换。同时，当无线 电高度表损坏时可以自动切换到采用气压高度参数；2)在控制规律中计入了高度差、速度 差的积分环节，可以减少直升机在给定高度上下的波动，使直升机能更快地稳定在给定的 飞行高度；3)在控制规律中计入了“航向补偿”，可以减小航向操纵对共轴式直升机升力的 影响；4)在自动升降过程中加入了限幅，可以自动限制升降速度，保证直升机不进入涡环 状态；5)设计了原理如图3所示的总距跟踪电路，可以减小飞行控制模态切换对系统的冲 击ο
技术实现思路
1、目的本技术在常规直升机与其他飞机飞行高度控制稳定方法的基础上， 针对共轴式无人直升机高度控制稳定的特殊性，提供了一种共轴式无人直升机的高度控制 稳定系统，它使该共轴式无人直升机在自主稳高模态飞行时能自动到达并稳定在给定的飞 行高度。2、技术方案(一)本技术一种共轴式无人直升机的高度控制稳定系统，它是由无线电高 度表、大气数据计算机、总距舵机和设计的稳高线路板四大部分组成。它们之间的位置连 接关系为设计的稳高线路板安装在自动驾驶仪盒子中，自动驾驶仪盒子、无线电高度表和 大气数据计算机安装在直升机的设备架上，总距舵机安装在直升机传动系统的舵机架上， 无线电高度表和大气数据计算机的输出端分别通过电缆连接到设计的稳高线路板的输入 端，而设计的稳高线路板的输出端则通过电缆连接到总距舵机的输入端。该系统的基本原理是将采集的直升机高度信号(无线电高度或气压高度)与地 面给定高度进行比较、转换、放大，按照设计的控制规律进行计算，得到相应的控制量，再以 该控制量去驱动总距舵机来改变旋翼的桨距，从而改变旋翼的拉力，以达到稳定直升机飞 行高度的目的，其连接关系与原理框架如图1所示。所述无线电高度表采用北京东林合众通讯技术公司的BG-T(0. 3)小型无线电高 度计，它所测数据为无线电高度和升降速度，其输出为0 12V的高度模拟电压和-10 +IOV的速度模拟电压，测高范围为0 300m，升降速度测量范围为-10 +10m/S ；所述大气数据计算机采用太原航空仪表有限公司的XSC-13B小型大气数据计算 机，它所测数据为气压高度和升降速度，其输出为-0. 667 +IOV的气压高度模拟电压 和-10 +IOV的速度模拟电压，测高范围为-400 6000m，升降速度测量范围为-10 +10m/s ；所述总距舵机采用北京敬业电工有限公司北微微电机厂的70LCX-1稀土永磁式 直流力矩测速机组，并加入相应的舵机驱动控制电路(参考《电机控制专用集成电路》，谭 建成主编，机械工业出版社，2003. 01)组装而成。它的功能是通过自动倾斜器带动变距拉杆 改变旋翼的桨距，从而改变旋翼的拉力，以达到稳定直升机高度的目的。所述稳高线路板是该系统的关键技术部分，它安装在自动驾驶仪盒子当中，输入 端采集无线电高度表或大气数据计算机传输过来的高度与升降速度数据，输出端则将最终 得到的总距控制量传送到总距舵机。该稳高线路板采用模拟电路设计，它包含五项功能电 路①低高度信号产生电路；②数据采集与融合电路；③自主稳高控制规律计算电路 ’④总 距跟踪电路；⑤航向补偿及综合电路。其中，②数据采集与融合电路、③自主稳高控制规律 计算电路以及⑤航向补偿及综合电路都是现有许多集成电路书籍(参考《新编电子电路大 全第2卷通用模拟电路》，中国计量出版社组编，/中国计量出版社组编)上常见的，故后面 只对该系统中的稳高线路板的几个关键性技术(即上列①和④)进行详细介绍。(1)低高度信号产生电路及两种高度参数之间的选择切换无线电高度参数与气压高度参数间的切换，由设计的低高度信号产生电路采集直 升机的无线电高度参数来控制。低高度信号产生电路图如图2所示，该电路由由两个运算 放大器仏、U2、7个固定电阻R” R2、R3、R4、R5、R6、R7和3个二极管D1, D2、D3组成；电路连接方 式为=Dp R6并联后与U1的反相端连接，U1的输出端与反相端之间接入电阻R7组成反相加 法运算电路。DyR1并联后与U2的反相端连接，U2的输出经电阻R4接到U2的同向端，电阻 R3接在U2的同相端和地之间，电阻R2接在U2的同相端和+12V之间，U2的输出端经D3输出 低高度信号，电阻R5接在输出的低高度信号与地之间，用于拉高输出电压。其中，运算放大器U^U2的型号是LM158 ；其中，7个固定电阻 R” R2> R3> R4> R5> R6> R7 的电阻值分别是:10k、50k、350k、300k、 50k、200k 和 IM ；其中，3个二极管01、02、03的型号是:1N5819当U2的反向端(无线电高度参数由⑶端经R1输入)电压小于同向端电压时，输 出端电压为正饱和电压E+，DGDXH(低高度信号)端输出的低高度信号为高电平，稳高系统 使用无线电高度参数。反之，输出端电压为负饱和电压E_，DGDXH端输出的低高度信号为低 电平，稳高系统使用气压高度参数。开始直升机高度较低，U2的输出端输出E+，此时U2的同向端电压较大V+max = (12/R2+E./R4)R(1)式中R是图2中R2、R3、R4的并联电阻。当直升机高度高于切换高度时，U2的输出 端输出E-，此时因E-是负电压，所以U2的同向端电压较小V+min= (12/R2+E_/R4)R(2)选定合适的电阻阻值，就可使V+max = IlV (对应高度为H2 = 275m时经由⑶端输入的电压)V+min = 8V (对应高度为H1 = 200m时经由⑶端输入的电压)。如果无线电高度表出故障，则GDBSH(无线电高度表损坏报警信号)端电压 为-15V (平时为零)，U1会输出E+，大于V+max，此时，DGDXH端输出的低高度信号为低电平，稳 高系统就使用气压高度参数。设定直升机飞行中高度参数选择的两个切换高度为H1 < H2,则直升机高度低于H1 时，低高度信号为高电平，系统使用无线电高度参数；高于H2时，低高度信号为低电平，系统 使用气压高度参数。直升机在H1-H2之间使用何种高度参数稳高，与此前直升机的高度状态有关。当直 升机由低于H1处上升时，要超过H2,系统才会转用气压高度参数，从超过H2处下降时，要低 于H1，系统才会转用无线电高度参数。这样，因为直升机升降速度的限制，即使发生较大的 气动干扰或地形高低的变化，直升机在无线电高度参数和气压高度参数间的切换周期也会 超过30s，避免了频繁切换本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种共轴式无人直升机的高度控制稳定系统，它是由无线电高度表、大气数据计算机、总距舵机和设计的稳高线路板四大部分组成，它们之间的位置连接关系为：设计的稳高线路板安装在自动驾驶仪盒子中，自动驾驶仪盒子、无线电高度表和大气数据计算机安装在直升机的设备架上，总距舵机安装在直升机传动系统的舵机架上，无线电高度表和大气数据计算机的输出端分别通过电缆连接到设计的稳高线路板的输入端，而设计的稳高线路板的输出端则通过电缆连接到总距舵机的输入端；其特征在于：所述的稳高线路板是该系统的关键技术部分，它安装在自动驾驶仪盒子当中，输入端采集无线电高度表、大气数据计算机传输过来的高度与升降速度数据，输出端则将最终得到的总距控制量传送到总距舵机；该稳高线路板采用模拟电路设计，它包含低高度信号产生电路、数据采集与融合电路、自主稳高控制规律计算电路、总距跟踪电路和航向补偿及综合电路；该低高度信号产生电路由两个运算放大器Ｕ↓［１］、Ｕ↓［２］，７个固定电阻Ｒ↓［１］、Ｒ↓［２］、Ｒ↓［３］、Ｒ↓［４］、Ｒ↓［５］、Ｒ↓［６］、Ｒ↓［７］和３个二极管Ｄ↓［１］、Ｄ↓［２］、Ｄ↓［３］组成；电路连接方式为：Ｄ↓［１］、Ｒ↓［６］并联后与Ｕ↓［１］的反相端连接，Ｕ↓［１］的输出端与反相端之间接入电阻Ｒ↓［７］组成反相加法运算电路，Ｄ↓［２］、Ｒ↓［１］并联后与Ｕ↓［２］的反相端连接，Ｕ↓［２］的输出经电阻Ｒ↓［４］接到Ｕ↓［２］的同向端，电阻Ｒ↓［３］接在Ｕ↓［２］的同相端和地之间，电阻Ｒ↓［２］接在Ｕ↓［２］的同相端和＋１２Ｖ之间，Ｕ↓［２］的输出端经Ｄ↓［３］输出低高度信号，电阻Ｒ↓［５］接在输出的低高度信号与地之间，用于拉高输出电压；该总距跟踪电路由两个运算放大器Ｕ↓［１］’、Ｕ↓［２］’，５个固定电阻Ｒ、Ｒ↓［８］、Ｒ↓［９］、Ｒ↓［１０］、Ｒ↓［１１］，１个电容Ｃ和１个继电器组成；电路连接方式为：开关Ｊ↓［１］的Ｘ经过电阻Ｒ↓［８］接到Ｖ↓［Ｈ］端，开关Ｊ↓［１］的Ｙ经过电阻Ｒ接到Ｖ↓［Ｚ］端，开关Ｊ↓［１］的Ｏ与Ｕ↓［１］’的反向端相接，Ｕ↓［１］’的输出端经过电容Ｃ接到的Ｕ↓［１］’反向端，Ｕ↓［１］’的输出端经串联后的Ｒ↓［８］和Ｒ↓［９］接到Ｖ↓［Ｈ］端，Ｕ↓［１］’的输出端经电阻Ｒ↓［１０］接到Ｕ↓［２］’的反向端，Ｕ↓［２］’的输出端与反相端之间接入电阻Ｒ↓［１１］组成反相加法运算电路，Ｕ↓［２］’的输出端与开关Ｊ↓［２］的Ｙ相接...

【技术特征摘要】
一种共轴式无人直升机的高度控制稳定系统，它是由无线电高度表、大气数据计算机、总距舵机和设计的稳高线路板四大部分组成，它们之间的位置连接关系为设计的稳高线路板安装在自动驾驶仪盒子中，自动驾驶仪盒子、无线电高度表和大气数据计算机安装在直升机的设备架上，总距舵机安装在直升机传动系统的舵机架上，无线电高度表和大气数据计算机的输出端分别通过电缆连接到设计的稳高线路板的输入端，而设计的稳高线路板的输出端则通过电缆连接到总距舵机的输入端；其特征在于所述的稳高线路板是该系统的关键技术部分，它安装在自动驾驶仪盒子当中，输入端采集无线电高度表、大气数据计算机传输过来的高度与升降速度数据，输出端则将最终得到的总距控制量传送到总距舵机；该稳高线路板采用模拟电路设计，它包含低高度信号产生电路、数据采集与融合电路、自主稳高控制规律计算电路、总距跟踪电路和航向补偿及综合电路；该低高度信号产生电路由两个运算放大器U1、U2，7个固定电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和3个二极管D1、D2、D3组成；电路连接方式为D1、R6并联后与U1的反相端连接，U1的输出端与反相端之间接入电阻R7组成反相加法运算电路，D2、R1并联后与U2的反相端连接，U2的输出经电阻R4接到U2的同向端，电阻R3接在U2的同相端和地之间，电阻R2接在U2的同相端和+12V之间，U2的输出端经D3输出低高度信号，电阻R5接在输出的低高度信号与地之间，用于拉高输出电压；该总距跟踪电路由两个运算放大器U1’、U2’，5个固定电阻R、R8、R9、R10、R11，1个电容C和1个继电器组成；电路连接方式为开关J1的X经过电阻R8接到VH端，开关J...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺天鹏，曾洪江，王修桐，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：实用新型
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