文/赵旭

自从2015年国内工业级无人机市场出现了复合翼构型的垂直起降固定翼机型以来，固定翼垂直起降发展非常迅速。这种复合翼构型的固定翼兼顾了固定翼和多旋翼的优点，动力系统分别独立。复合翼构型的主要载体多采用常规布局固定翼，即水平尾翼在主翼之后，水平尾翼上有垂直尾翼，四旋翼的动力系统安装在主翼上。垂直起降靠四旋翼动力系统垂直上升或降落，达到一定高度后切换到固定翼动力系统平飞，这种复合翼构型的飞行平台具备多旋翼的灵活机动性和固定翼的长航时作业面积大等优点，在航拍航测、电力巡检、地质勘探、应急救援等场合有较好的应用。

由于工作效率过低和成本过高，本设计提出一种三旋翼的固定翼垂直起降无人机，其中多旋翼的动力系统为Y型拓扑结构的三旋翼，前端两个旋翼动力为多旋翼动力系统和固定翼动力系统共用，在飞行切换过程中由倾转旋翼进行过渡。复合翼构型的载机采用常规布局V型尾翼的固定翼，具有更好的稳定性。

1 倾转旋翼固定翼无人机的工作原理

从结构上来看，本设计提出的三旋翼可倾转旋翼固定翼无人机可以分为三部分，分别为V型尾翼固定翼载机、三旋翼动力系统、倾转机构。如果只从固定翼载机来看，它可以看成一个V型尾翼、常规布局、双发动力的固定翼载机。其中双发动力系统分别在主翼的两侧，动力组成部分的无刷电机安装在倾转机构上，当倾转机构将电机旋转至竖直向上时，与在固定翼载机腰部的旋翼动力系统构成三旋翼。这样，旋翼动力系统和固定翼动力系统就有两个动力是共用的，降低了飞行器重量和成本。

从操控过程可以分解成三部分，分别为三旋翼垂直起降、悬停和空间六自由度低速位移、固定翼长航时高速巡航、三旋翼和固定翼操控之间过渡阶段。假设本设计的三旋翼可倾转旋翼固定翼无人机是一钢体，忽略其在飞行过程中发生的弹性形变，在定义惯性坐标系和建立动力模型分析，可以有效的分析悬停控制和操控模式转换，本设计主要从硬件设计、操控模式过渡转换的策略进行分析。

2 无人机硬件设计

三旋翼可倾转旋翼固定翼无人机的硬件主要分成飞行控制系统、传感器接口电路、倾转机构、GNSS模块、电子调速器、无刷电机、无线数据传输模块、无线图像传输模块、遥控接收机等组成，如果载机携带高清图像采集设备，还需配备红外触发装置。

2.1 飞行控制系统

飞行控制系统主要基于开源飞行控制系统（以下简称飞控）Pixhawk开发，它是早期的PX4FMU和PX4IO整合而来，采用MAVLink通信协议，内部运行的核心库采用方向余弦矩阵方法（DCM）或扩展卡尔曼滤波器（EKF）来预估飞行器姿态进行控制。Pixhawk内部资源和接口非常丰富，主控制核心采用意法半导体（ST）的STM32F427VIT6，飞控支持各类扩展，如光流、声呐、空速、GPS等。

2.2 传感器接口电路

传感器接口电路包含一个IMU传感器电路，采用ICM20689和IST8310罗盘芯片，以及一个MS5611气压传感器来获取飞行器的姿态。这部分采用Pixhawk基本的硬件配置，这里就不在文中过多介绍，需要注意的是，因为三旋翼和固定翼在传感器配置上不同的是，固定翼需要一个特殊的空速传感器，所以本设计中需要给飞行平台加装一个空速传感器；为了保证倾转机构顺利的完成倾转，构成一个反馈，需要在倾转机构上安装倾角传感器，实时获取倾转机构的姿态，保证转换可靠完成。

为了和pixhawk飞行控制系统匹配，本设计采用MS4525DO数字压力传感器作为空速传感器，MS4525DO可输出14位数字信号，采用SPI或者I2C协议，在本设计中为了和pixhawk匹配，采用I2C协议通信，需要注意的是，由于早期的APM是不支持数字压力传感器的，所以采用APM刷写固件只能使用模拟压力传感器。MS4525DO输出精度较高，可到线性/绝对精度：0.25%/1%总误差，工作温度在-25℃至105℃，为了保证其可靠工作，需要对空速传感器独立供电，供电电压5V。

3 软件控制系统设计

在pixhawk调参过程中，需要对垂直起降的参数进行调试，特别是三旋翼倾转旋翼改出后转换成固定翼时过渡阶段的参数。其中比较重要的参数如VT_ARSP_BLEND、VT_ARSP_TRANS、VT_B_TRANS_DUR、VT_FW_PERM_STAB等，其中VT_ARSP_BLEND表示当三旋翼转换成固定翼过程中，空速达到了该设置参数，那么三旋翼的控制比重开始慢慢减少，这个权重决定是否从三旋翼切换到固定翼状态；VT_FW_PERM_STAB表示固定翼自稳，如果在三旋翼模式下，固定翼的各个控制舵面会根据姿态变化自动调节，使固定翼保持稳定状态。其他参数VT_TRANS_TIMEOUT表示转换时间超时后立刻切换回三旋翼、VT_ARSP_TRANS表示空速有效，进入固定翼模式。

在/src/modules/vtol_att_control/文件夹中包含 vtol_att_control_main、vtol_type、standard/tailsitter/tiltrotor等文件，在本设计中，主要分析vtol_att_control_main这个函数，从流程上可以分为三个阶段，第一个阶段是接收并更新数据；第二个阶段进入起飞阶段；第三个阶段开始进入任务循环检查更新参数并进行轮询。其中_vtol_type->update_mc_state();和_vtol_type->update_fw_state();及_vtol_type->update_transition_state();都是计算转换的姿态期望值。

4 总结

本文主要介绍了一种倾转旋翼的固定翼无人机垂直起降的软硬件设计，该无人机在吉林化工学院双吉校区进行试飞后表现良好，达到了预期的要求，适合对起飞地形要求较为严格且需要长航时的无人测绘载机。