搜索
小型固定翼飞机模型的控制及无线遥控技术电子信息工程专业施飞（099064198）指导老师：王彦副教授摘要随着我国航天航空事业的不断发展，近年来，航模和航模活动在全国的发展比较迅速，该项活动不仅涉及的学科范围广，而且适宜的人群也很广。随着航模的推广，其应用的范围也逐渐扩大。航模的范围较大，本文选择的是其中的固定翼模型飞机，这类模型飞机具有灵活性强、速度较快、容易控制等特点。文章首先介绍了模型机的力学分解，分析了其基本动作的力学变化。然后详细介绍了这类模型机的手工制作和遥控步骤。其次重点研究了航模中用到的遥控系统，分别对基于NRF24L01和ZigBee芯片的遥控系统进行研制。分别给出了测试结论和存在的问题，以及问题可能的解决方案。还根据实际的应用提出了对品牌遥控器存在不足的改进方案。最后结合实际的要求，完成航模对地侦查的任务，给出了测试结论和存在问题的分析。关键词:固定翼无线遥控NRF42L01ZigBeeAbstractWiththecontinuousdevelopmentofChina'saerospaceindustry，thedevelopmentofmodelairplaneandmodelairplaneactivitiesisrapidlyinourcountryinrecentyears,thisactivitynotonlyrelatestothewidekindsofsubjects,butalsosuitableforthemanypeople.Withthepromotionofmodel,itsapplicationhasgraduallyexpanded.Therangeofmodeliswide.Inthispaper,thechoiceisfixedinwingmodelaircraft.Thiskindofmodelaircrafthastheadvantagesofstrongflexibility,fastspeedandeasytocontroletc.Firstly,thisarticleintroducesthedecompositionofmechanicalmodelmachine,andanalyzesthemechanicalchangesofthebasicaction.Thenitintroducesthehandmadeandremoteprocedureofthiskindofmodelmachineindetail.Furthermore,itfocusonthesystemofremotecontrolusedinthemodelandthestudyofremotecontrolsystemofNRF24L01andZigBeechip.Thisarticlealsopresentsthetestresults,theexistingproblemsandpossiblesolutions.Accordingtotheweaknessofbrandremotecontrolmachine,itgivestheimprovedschemeinpracticalapplication.Finally,accordingtotheactualrequirements,itcompletesthedetectiontaskofthemodelandgivesthetestresultsandtheanalysisoftheproblems.Keywords:Fixed-wingWirelessremotecontrolNRF24L01安徽工业大学毕业设计（论文）说明书第2页共41页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1绪论1.1选题背景及意义航模分为两种：一种是航空模型，即一种重于空气的，有尺寸限制的，带有或不带有发动机的，不能载人的航天器。另一种是航天模型，即模拟航天器原理制作的各种可以发射升空的模型航天器。包括各种模型火箭和火箭推进模型飞机等。航模活动是一项多学科、综合性的科普活动，也是一项针对航空航天的科技创新实践和试验活动，涉及空气动力学、气象学、机械学、结构力学、动力机械技术、材料学、测量技术等领域。通过航模运动，进一步挖掘、拓展和提高了航模爱好者的设计制作能力和科技创新能力。在航模活动中，爱好者需要自己设计和动手制作模型。这使得他们有机会接触到材料学、加工工艺的实际，并在实际操作中加强对有关问题的理解。学校开展航模的制作，可以培养同学们的航模兴趣和普及航模基础知识。同时也是体育与科技、教育相结合的尝试。在航模队中，学生能经常使用台钻、曲线锯、车床、铣床等工具和设备。结合实习加工一些航模零件，学生还能利用这些工具和材料做一些实验，以验证自己在结构设计、加工方法、工作原理等方面的设想是否可行。当学生带着问题和需求去实践，便能自觉地理论联系实际。这对后来的专业学习，尤其是对机械专业和电子专业的学习有极大好处。航模的种类很多，本文选取的是对常规布局固定翼模型飞机的研究。通过对入门机型“微风2005”的制作和控制，详细讲述了固定翼模型机的制作和控制的各个细节。同时还研究了两种常用的无线收发芯片NRF24L01和ZigBee进行数据收发下的遥控器的设计。分别给出了各自的特点和存在的问题以及可能的解决方案。1.2航模运动的现状及发展探究随着我国航空航天事业的不断发展，越来越多的人们开始关注起航模运动。在国外很多发达的国家，航模的发展要比国内的要早得多，有的甚至形成了一种航模文化。从广义上来说，能为人们提供休闲娱乐的工具都能称之为“玩具”，航模在国外早就是风行已久的玩具之一，而且老少皆宜。在国外，航模俱乐部在航模运动的普及和飞行水平提高方面起着关键的作用。国外的飞行俱乐部都是航模爱好者自发组成的民间组织，注册于各国的航模总协会下，如美国的AMA（全美航模协会）、英国的BFMA（大英航模协会）、澳大利亚的MAAA（澳洲航模协会）。俱乐部经常组织各种飞行活动和赛事，使得航模活动更加有趣。通过这些轻松的比赛，不但会推广航模运动，会员的飞行水平可以在娱乐中得以提高。航空模型的竞赛科目有：留空时间、飞行速度、飞行距离、特技、“空战”等。航模的世界性比赛十分活跃，项目繁多。目前世界比赛已发展到7个大项，每个大项两年举行一次世界锦标赛。因而，每年有3至4次世界锦标赛，此外还有区域性的比赛，如欧洲、美洲等的洲际比赛。较大的国际性比赛，每年多达三十多次安徽工业大学毕业设计（论文）说明书第3页共41页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊我国航模运动起步于20世纪40年代，1978年我国加入了国际航空联合会(FAI)，1979年开始步入世界赛场。经过多年的发展，尤其是神舟系列的圆梦太空，使得近年来我国的航模运动得到了迅速的发展。在国际性比赛上，也多次取得傲人的成绩。随着国内电子商务的成熟，扩大了航模的销售渠道。国内关于航模的优秀论坛也有不少。这些都将进一步加快我国航模和航模运动的发展。随着科技和工业的发展进步，航模运动技术水平的提高，对航模的制作、放飞和操纵技术，也必将提出更高的要求。多种军用机和民航机等各式各样的航模，将会受到爱好者的广泛喜爱和欢迎。1.3模型飞机的应用航模已不仅仅由于它技巧和功能上的完美受到人们的喜爱，同时它正在成为安全、实用、价格便宜的应用工具被广泛地使用着，具有成本低廉、灵活机动、环保节能等特点。其应用范围包括但不限于以下几点：1）军事应用：可以利用无线电遥控模型飞机作为部队和民兵对空射击训练的靶机。在训练的时候，通过无线电遥控设备控制航模靶机完成各种飞行动作，在模型飞机尾部拖拽一个靶袋，这样可模拟运动目标进行射击训练。2）摄影摄像辅助：模型机上挂载摄像机，可以进行救灾、新闻拍摄。也可以进行全区域的航拍，以及森林防火、城市污染等调查的拍摄。在墨西哥，警方还利用四轴飞行器航拍抓小偷。3）工业应用：可以拖曳长线穿越海峡，帮助工程师们铺设海底电缆。电力抽送中心委员会正把它用在穿越电站排放的烟云，检查其漂浮的轨迹和污染状况，测试其积沉在作物层叶子上的化学物质成分等。4）农业应用：航模飞机对农田的旱、涝、虫灾等的监测，以及农药的喷洒等。1.4本文主要工作及论文结构本文主要完成了以下的研究和开发工作，论文结构如图1-1所示：安徽工业大学毕业设计（论文）说明书第4页共41页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图1-1论文结构1）对航模和航模活动的特点、发展做了较详细的综述。对其应用的实际价值以及其可能应用的领域进行分析。重点研究了固定翼航模的遥控系统。2）从理论上分析了模型飞机的飞行姿态改变的原因极其调整的方法。分析了简易模型飞机选材极其制作的方法。给出了模型飞机的遥控规则。3）根据实际的应用给出了基于两种常用的无线收发系统下的简易遥控系统的制作和测试。并结合应用的实际论述了对于品牌遥控器可能的改进方案。4）在总结和展望部分，对全文研究和开发工作所存在的问题进行了总结和可能的改进工作进行了展望。安徽工业大学毕业设计（论文）说明书第5页共41页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊2模型飞机的飞行原理2.1伯努利定理在一个流体系统，比如气流、水流中，流速越快，流体产生的压力就越小，这就是被称为“流体力学之父”的丹尼尔·伯努利1738年发现的“伯努利定理”。伯努利定理的内容是：由不可压、理想流体沿流管作定常流动时的伯努利定理知，流动速度增加，流体的静压将减小；反之，流动速度减小，流体的静压将增加。但是流体的静压和动压之和，称为总压始终保持不变。伯努利定理是飞机起飞原理的根据。伯努利定理在水力学和应用流体力学中有着广泛的应用。伯努利定理的理论定义是：非黏滞不可压缩流体作稳恒流动时，流体中任何点处的压强、单位体积的势能及动能之和是守恒的。其方程式是：21()2ghpconst常数式中：是流动速度；g是重力加速度；h流体处于的高度（相对于某参考点）；p流体所受的压强；流体的密度。2.2模型飞机力的分解图2-1推力上偏的模型图2-2推力下偏的模型一个水平飞行的动力模型受到许多施加在它每个部位的力的影响，这些力主要来自机翼，尾翼也有部分的垂直方向的力。螺旋桨或喷气推力线的方向可能与飞行方向不一样。如上图2-1和图2-2所示。可以将螺旋桨拉力分解为一个沿着飞行方向和一个与之垂直的力，有力的分解不难看出螺旋桨的大部分功率都转换成了推力。对于水平飞行来说，下图2-3到图2-8就是平衡条件下的受力图。图2-3水平动力模型图2-4滑行安徽工业大学毕业设计（论文）说明书第6页共41页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图2-5爬升图2-6俯冲图2-7垂直爬升图2-8垂直俯冲（终速）水平飞行：图2-3是一种水平飞行的受力模型。它受4个互相作用的力而平衡，这四个力是多个微小的力的集合，每一个力的改变都将会在一定程度上改变模型机的飞行姿态。滑翔：滑行状态，要么发动机处于小油门状态，要么就完全关机，图2-4中的里的分解解释了这种情形。重力垂直向下，但是可分解成一个沿着飞行方向的力和一个垂直飞行方向的力。滑翔机，在重力分力的作用下沿着飞行方向运动。空气反作用力的合力可以近似地分解为垂直飞行方向的升力和与之垂直并与飞行方向相反的阻力。这个力分解图跟水平飞行的四力图非常相似，不过整个图被旋转了一个角度。俯冲：如图2-6所示，这时四力旋转角度加大，在极限状况下，飞行轨迹完全向下重力和推力（如果还存在）同时拉着模型向下运动，这时唯一的反作用就是阻力了。当阻力足够大以至于能克服重力则有可能恢复升力，阻力不够则会出现坠机如图2-8。爬升：如图2-5所示，爬升状态中总的升力是机翼和螺旋桨的分力的合力。重力此时可分为升力的反向和一部分的阻力。这时，在四个力的平衡下会出现一个爬升角，极限的情况就是出现