无人机动力装置

2023年12月2日发(作者：欧拉r1)

西安航空职业技术学院

毕业设计（论文）

论文题目：无人机动力装置

所属系部：航空维修工程学院

指导老师：石日昕职称：高级工程师

学生姓名：姜磊班级、学号: 125071-33

专业：无人机应用技术

西安航空职业技术学院制

2014年 12 月 7 日

西安航空职业技术学院

毕业设计（论文）任务书

题目：无人机动力装置

任务与要求：

论述无人机动力装置的现状及发展；重点分析无人机动力装置的涵道风扇

时间： 2014 年 10 月 13 日至 2014 年 12 月 08日共 8 周

所属系部：航空维修工程学院

学生姓名：姜磊学号： 125071-33

专业：无人机应用技术

指导单位或教研室：航电及无人机教研室

指导教师：石日昕职称：高级工程师

西安航空职业技术学院制

2014年 10 月 25 日毕业设计(论文)进度计划表

日期工作内容执行情况

指导教师

签字

2014年10月13日1.学生和指导教师联系，明确毕业设——10月15日

计要求。

（准备阶段）

1学生阅读文献，收集资料，完成文2014年10月16日献综述

——10月26日

2老师指导学生写毕业设计开题报告

（开题阶段）

3指导老师完成毕业设计开题报告审核，评分

1学生继续阅读文献，收集毕业论文2014年10月27日资料并把收集到的有用资料电子化

——11月09日

2老师解答学生在资料收集中的问题

（阅读文献，资料收3指导老师完成毕业设计第一次检查集阶段）

并评分

2014年11月10日1 完成毕业论文初稿

——11月23日

2指导教师完成毕业论文初稿检查并（论文初稿阶段）评分

1学生完成毕业论文正式稿

2指导老师督促学生提交毕业设计论2014年11月24日文

——2014年12月083指导教师完成毕业设计的审定

日

4确定毕业设计的第三次检查评分

（论文正式稿阶段）

5提交装订好的毕业设计论文打印稿并装订

2014年12月9日1.指导老师给毕业设计评语及总评成——

绩，交答辩小组。

（论文审阅，答辩准2．准备毕业答辩

备阶段）

教师对进度计划实施情况总评

签名

年月日

本表作评定学生平时成绩的依据之一西安航空职业技术学院毕业设计论文

无人机动力装置

【摘要】

本课题研究的对象是无人机系统中的动力装置和涵道风扇。动力装置是无人机的主要关键技术之一，它直接影响到无人机的性能、成本和可靠性。同时简述了无人机动力装置的种类、应用范围及发展趋势，目前，无人机主要有螺旋桨、涵道风扇、涡轮发动机等 3 种不同的动力设备，涵道风扇由于其耗油量低，推力大等优点越来越被重视，是本文的主要研究对象。涵道风扇的发展起步较晚，技术难度大，本文在研究的是一般航空叶片机。涵道风扇式微型飞行器能够垂直起降和悬停，能够适应复杂的城市和山区环境，不仅具有“悬停并凝视”目标的能力，而且还可以抵近目标飞行，对目标提供精确定位。其结构、机动性能良好，具有较强的适应能力，应用范围广阔。

关键词：无人机动力装置涵道风扇

Abstract: The object of this research is no power device and ducted fan

in man machine system. The power device is one of the key technologies

of UAV, it directly affects the UAV performance, cost and reliability.

At the same time, the UAV power device types, scope of application and

development trend, at present, the UAV main propeller, ducted fan, turbine

engine and other 3 kinds of power equipment of different, ducted fan

because of its advantages of low fuel consumption, more and more attention

by large thrust and so on, is the main research object of this paper. Ducted

fan development started late, great technical difficulty, in this study

is the general aviation turbine blade. The ducted fan MAV can VTOL and

hover, able to adapt to the complicated city and mountain environment,

not only has the \"ability to hover and stare\" target, but also can approach

the target flight, provide the precise location of targets. The structure,

good mobility, strong adaptability, wide application range.

Key words: unmanned aerial vehicle（UAV） Powerplant Ducted fan

- 1 - 西安航空职业技术学院毕业设计论文

1.引论 ................................................................................................................................................. - 3 -

2.应用现状 .......................................................................................................................................... - 4 -

2.1 无人机动力装置种类 ............................................................................................................. - 4 -

2.2 无人机动力装置应用范围 ...................................................................................................... - 4 -

3.无人机动力装置发展途径及趋势 .................................................................................................. - 5 -

3.1 技术要求 ................................................................................................................................. - 5 -

3.2发展途径 .................................................................................................................................. - 6 -

3.3发展趋势 .................................................................................................................................. - 6 -

4.涵道风扇 ......................................................................................................................................... - 6 -

4.1涵道风扇的结构特点 .............................................................................................................. - 6 -

4.2涵道风扇中气体流动的性质 .................................................................................................. - 7 -

4.3涵道风扇基元级 ...................................................................................................................... - 8 -

5.无人机整体布局 ............................................................................................................................. - 9 -

5.1 涵道风扇整体布局 ................................................................................................................. - 9 -

5.2 涵道风扇各部分的结构 ......................................................................................................... - 9 -

6. 涵道风扇发动机油门控制设计 ................................................................................................. - 10 -

6.1 无人机控制系统及无人机发展趋势 ................................................................................... - 10 -

6.2 涵道风扇发动机的油门控制 ............................................................................................... - 11 -

6.3 舵机控制原理 ....................................................................................................................... - 12 -

6.4 涵道风扇控制原理 ................................................................................................................ - 12 -

6.5 涵道风扇油门控制设计 ........................................................................................................ - 13 -

结束语 ........................................................................................................................................... - 14 -

谢辞 ................................................................................................................................................. - 15 -

文献 ................................................................................................................................................. - 16 -

- 2 - 西安航空职业技术学院毕业设计论文

1.引论

无人机(Unmanned Aerial Vehicle,缩写为 UAV)又称“空中机器人”，是一种由动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器的简称。它大体上是由无人机载体、地面站设备(无线电控制、任务控制、发射回收等起降装置)以及有效载荷三部分组成的。根据无人机的结构、飞行时间、飞行距离或执行任务的性质等特点我们可以把它划分成不同种类。从总体结构来看，无人机有固定翼、垂直旋翼、倾斜旋翼、旋翼/固定翼之分；根据活动半径和续航时间，无人机可大体分为近程、短程、中程和远程四类；根据用途，我们又可以把无人机分为军用和民用两大类。无人机是 1917 年由英国首先研制成功的。虽然它问世己久，但直到

20世纪 50 年代才得到了真正的发展。当时世界各国空军开始大量装备无人机，将其作为空靶使用。此后，美国率先研制成功无人驾驶侦察机，并开始用于越战。到了 80 年代，无人机得到了更为广泛的应用。 1982 年的中东战争，在以色列在贝卡谷地交战中，用“侦察兵”和“猛犬”无人机诱骗叙军的地空导弹制导雷达开机，侦查获取了雷达的工作参数并测定了其所在位置。无人机的飞速发展是在海湾战争后，以美国为首的多国部队的无人机在海湾战争中成功地完成了战场侦察、火炮校射、通信中继和电子对抗等任务。在科索沃战争中，美国及北约盟国总共使用了近 300 多架无人机当开路先锋，用于中低空侦察和长时间战场监视、电子对抗、战况评估、目标定位、收集气象资料、营救飞行员和散发传单等任务。在美国对阿富汗的反恐战争中，无人机更是大显身手，成了追捕拉登及其基地成员的有效兵器，尤其是对基地组织成员发动的空袭，开创了无人机运用的先河。新世纪之初，无人机的发展进入了一个崭新的时代，各种性能各异、技术先进、用途广泛的新型机种，如长航时无人机、战斗无人机和微型无人机等不断涌现。2001 年，美国的“全球鹰”长航时无人机完成了越洋飞行，创造了航程和飞行时间的世界记录。“捕食者”长航时无人机在美对阿富汗的空袭中，首次挂载了导弹对阿富汗的地面目标进行了实弹攻击，从而开创了无人机执行对地攻击任务的先例。

近年来，无人机的使用范围已拓展至军事、民用和科研三大领域:在军事上，可用于侦察监视、通信中继、电子对抗、火力制导、战果评估、骚扰诱惑、对地(海)攻击、目标模拟和早期预警等；在民用上，可用于大地测量、城市环境检侧、地球资源勘测和森林防火、农业勘测、交通、民用导航、环境保护、边境巡逻与控制、自然灾害的监视与救援等；在科研上，可用于大气研究、气象观测、对核生化污染区的采样与监控、新技术新设备和新飞行器的试验验证等。无人机广泛的应用价值，尤其是在军事上的重要性己得到了世界各国的高度重视，目前，研制和使用无人机的国家包括美国、以色列、俄罗斯、中国、日本、南非等 30 多- 3 - 西安航空职业技术学院毕业设计论文

个。与有人机相比，无人机具备如下优点:第一，成本低，效费比好，一般成本仅为有人机的几十分之一甚至几百分之一，而且其使用维护费用低；第二，无人员伤亡和被俘的风险。可深入敌军纵深军事要地上空实施侦察和作战；第三，生存力强，有较强的突防能力；第四，机动性好。小型无人机体积小，重量轻，不要求有专门设备和机场起降，从而便于跟随野战部队行动作战。无人机这些独特的优越性使其应用领域得以迅速扩大，世界各国开始竞相发展各种功能和用途的无人驾驶飞行器，全球范围内开始掀起了无人机研制的热潮。

现代战争是“海、陆、空、天、电”五维一体的战争。制空权是现代战争取胜的关键。在2003年对伊拉克的战争，美英两国使用了“全球鹰”、“捕食者”、“猎人”、“先锋”、“影子”200、“不死鸟”、“指针”、“火蜂”等十多种无人机。执行空中侦察、情报监视、远距攻击、电子对抗、充当诱饵及战场损伤评估。取得了良好的战果。引起了世界各国的重视。目前，全球正在使用的各种无人机约有4.8万架。无人机在现代战争中显示出越来越重要的作用。而动力装置是无人机的主要关键技术之一，它直接影响到无人机的性能、成本和可靠性。

2.应用现状

2.1 无人机动力装置种类

无人机技术得到了越来越多因家的重视，日前无人机广泛采用的动力装置包括往活塞发动机和旋转活塞式发动机以及涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺桨发动机和涡轮轴发动机在内的然气涡轮发动机，但在微型无人机中普遍使用的电池驱动的电动机等。这些无人机动力装置可以分别应用于高空高速无人机、低空低速无人机、反辐射无人机、侦察监视无人机垂直起降无人机、长航时无人机、攻击无人机、无人战斗机等无人飞行器。为了满足不同需求，无人机助力装置功率，推力变化范围很大.但基本属于中小型发动机范畴.

2.2 无人机动力装置应用范围

无人机发动机类型的选择不但与无人机要求的性能有关，而且与当时的发动机技术水平、研制进度要求及用户的经济承受力等有关。从无人机动力装置的情况来看，活塞式发动机适用于低速、中低空的侦察、监视无人机及长航时无人机，飞机起飞质最较小一般为几百千克;祸喷发动机适用于飞行时间较短的中高空、高速侦察机及靶机、无人攻击机，起飞质最可达2500kg涡轴发动机适用于中低空、低速短距，垂直起降无人机和倾转旋翼无人机，飞机起飞质量可达1000kg涡桨发动机适用于中高空长航时无人机，飞机起飞质量可达3000kg涡扇发动机- 4 - 西安航空职业技术学院毕业设计论文

适用于高空长航时无人机和无人战斗机。飞机起飞质量可以很大，如“全球鹰’重11.6t。微型电动机等微型动力适用于微型无人机，飞机起飞质量可少于100g。具体见见表2-1。

表2-1 不同发动机所适用的无人机

发动机类型

速度

（km/h）

使用高度

（m）

1500~ 9750

活塞发动机 110~ 259 （个别19800）

涡轴发动机 160~ 390 4000~ 6100

14000~

16000

3~ 4 658 ~1100

1~ 48 30 ~1150

续航时间

（h）

起飞质量

（kg）

适用的无人机类型

长航时、侦察、监视、反辐射等

短距/垂直起降无人机

中空长航时、攻击无人机

靶机、高速侦察机、攻击无人机

中高空长航涡扇发动机 500~ 1000 3000~ 20000 3~ 42 600~ 12000

时侦察、监视及无人作战飞机

微型电动机/内燃机/喷气发动机

36~ 72 45 ~150 <10 <01

侦察、监视、搜索等

涡桨发动机 357~ 500 25~ 32 1650 ~3200

160~ 2500

涡喷发动机 700 ~1100 3000 ~17500 0.2 ~3.0 （个别可达13t）

值得特别指出的是，虽然由于历史原因，目前多数无人机采用活塞发动机，但活塞发动机只适用于低速小型无人机，局限性较大;而推力变化范围大、耗油率低、高空性能好的涡扇发动机在无人机动力装置将占有重要地位。

3.无人机动力装置发展途径及趋势

3.1 技术要求

不同用途的无人机对动力装置的要求也不同，但都希望动力装置体积小、工作可靠、成本低、维修方便。对一次性使用的靶机、自杀式无人机、异弹的动力装置，主要要求其推重比高，抗过载和抗进口气流畸变能力强，而寿命可以短(1～- 5 - 西安航空职业技术学院毕业设计论文

2h);对无人战斗机动力装置，主要要求其工作包线宽广，加、减速性能好，巡航耗油率低(≤0.8kg/daN·h),隐身性能好;对长航时无人机，尤其是高空长航时无人机动力装置，则要求其耗油率低(≤0.6kg/daN·h),寿命长(≥ 3000h)，飞行范围广，高空特性好;小型低空无人侦察机动力装置功率小，但要求其质量小，加工成本低。

3.2发展途径

从经济性、安全性、可靠性等方面考虑，在成熟的军、民用发动机上改进改型是目前无人机动力装置的主要发展途径。如中国的某靶机动力装置由已有涡喷发动机改型而成，“全球鹰〃采用AE3007发动机的改进型AE3007H,“捕食者\"B选用TPE331-10T发动机，美国和欧洲分别实施的联合无人空战系统(J- UCAV)和“神经元\"(Neuron)研制计划也首先选择了现有成熟的动力装置。

但是，当改进现有在役发动机不能有效满足飞机需求时，研制新发动机就成为必然。例如，GE公司认为，对未来无人作战飞机用涡扇发动机而言，现有的发动机或者涵道比太小(如战斗机发动机)，或者风扇直径(如民用发动机的)又太大。尺寸太大增加了额外的质量、成本和雷达/红外信号，而尺寸太小又使飞机持续飞行时间太短。为此GE公司计划研制新的先进发动机，将尺寸小的支线客机动力的核心机和适当直径的风扇结合起来，研制出可满足需求的其有较高涵道比的发动机。

3.3发展趋势

（1）燃气涡轮发动机将占有最重要的位置

如前所述，活塞式发动机只能适用于低速、低空及质量轻的无人机；对更大使用范围的无人机而言，燃气涡轮发动机应是首选的动力装置。随着燃气涡轮发动机技术的不断进步，其推重比/功质比越来越高，耗油率越来越小，寿命越来越长，使用维修成本越来越低，燃气涡轮发动机在无人机上的应川也就越发广泛。

（2)涡扇发动机是无人机动力装置发展的重点特色之一是采用氢燃料;美国一些公司研制的由新型固态氧化物燃料电池驱动的和以色列研制的由锌空气电池驱动的电动机，正在微型无人机上试用。

4.涵道风扇

4.1涵道风扇的结构特点

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涵道风扇其实质就是一个只有一级动叶片和一级静叶片的叶片机，由于气体的流入和流出都是沿旋转轴方向流动的，因此是一级叶片式的轴流式叶片机，其特点可归纳如下：

(1) 旋转的动叶排和静叶排交错排列；

(2) 叶排由几何参数相同叶片沿圆周方向均匀排列形成；

(3) 动叶排和静叶排之间存在轴向间隙；

(4) 动叶排和涵道内壁之间存在径向间隙。

4.2涵道风扇中气体流动的性质

(1) 径向流动由于轮毂和涵道内壁的曲率较大，在接近轮毂和涵道内壁的流动存在较大的径向分速度，一般情况下轮毂处的径向分速度(Cr)h>0，而涵道内壁的径向分速度(Cr)t<0，所以沿径向速度变化较大。涵道风扇叶片沿半径方向是扭曲的，其叶片表面是一个一般的空间曲面，而非径向辐射面，叶片与气流互相作用的力垂直于叶片表面，因而存在一定的径向分力。在此径向力的作用下，气流产生径向流动和沿径向流动参数的变化。

(2) 轴向变化为了能够实现对气流的加工增压作用，涵道风扇叶片两个表面的气流参数一定不同，只有这样才能形成叶片对气流的作用力，当动叶片在力的方向上转动时即可对气流做功，因而在相邻两个叶片组成的一个叶片通道内，沿圆周方向气流参数是变化的。

(3) 周向变化气流参数沿轴线方向的变化是比较容易理解的，涵道风扇的基本功用就是沿轴向提高气体的压力，现代更加需要结构紧凑，质量较轻的动力设备，就是要在更短的轴向长度实现更大的增压，所以压力沿轴向的变化很大。

(4) 黏性和可压缩性任何实际气体都具有黏性，气流在涵道风扇内部的流动又是一个压力不断上升的逆压力梯度过程，因而在许多流动现象中，黏性起着决定性的作用，无法忽略。涵道风扇发展方向之一是“高速” 。高速意味着气流的速度和叶轮的切线速度都很大，压缩性的影响显然是必须考虑的。

(5) 非定常性气流无论是在转子中流动还在静子中流动，在静止的绝对坐标系中都是非定常的。在涵道风扇的转子中，由于在一个叶片通道中气流参数空间分布的周向不均匀，而且该叶片通道还在随动叶片转动，所以绝对坐标系中某一固定点的参数将随时间周期性的变化。至于静子内部流动的非定常性就比较容易理解了。一般情况下静子的上游即为转子，转子内部参数的不均匀和转子的转动造成了转子出口和静子进口流场的周期性变化，从而使得静子内部流动非定常。除此之外，涵道风扇内部还存在着如间隙涡，角涡和通道涡等复杂的涡系，以及激波和附面层的互相干扰，动、静叶互相干涉等复杂流动现象。

- 7 - 西安航空职业技术学院毕业设计论文

4.3涵道风扇基元级

为了弄清楚涵道风扇中的流动过程，现在设想用一个与涵道同轴而半径为 r

的圆柱面与两个叶片排相截，则会得到圆柱面上的两圈“环形叶栅”，如图 4-1

所示。这里把由形状相同的许多叶型彼此以一定的距离沿圆周均匀排列形成的环形表面成为“环形叶栅”。实践证明，对于压力提高不大的叶轮机来说，气流基本上是按照圆柱表面上的两圈环形叶栅流动的。因此，涵道风扇可以看做是由无数个半径不同的两圈环形叶栅叠加而成的，并且不同半径的两圈环形叶栅中的流动本质上是一样的。

为了便于分析，再把圆柱面上的基元级展开成为平面，这样就得到了平面上的基元级，如图 4-2 所示。而环形叶栅也就成为平面叶栅。环形叶栅是相同叶型沿圆周方向均匀排列形成的，环形叶栅中的叶栅排列是连续的，每一个叶型都有相邻的叶型。为了保证环形叶栅的这个特点，理论上假设平面叶栅的叶型数目为无限多。实践证明，用平面叶栅的流动来近似地代替环形叶栅内的流动与实际情况是十分接近的。

图4-1 圆柱面上的基元级

图4-2 平面上的基元级

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5.无人机整体布局

图5-1涵道风扇试无人机三维图该图是比较完整的无人机系统图。无人机的主体部分包括无人机的动力设备即涵道风扇，无人机机体以及无人机的机上设备。涵道风扇安装在无人机的尾部，改善了无人机的气动性能，减少了无人机的阻力；涵道风扇的使用也使发动机的效率明显提高，涵道采用玻璃钢制造，使无人机动力设备在效率明显提高下重量增加较少，可提高无人机的负载能力；涵道将叶片包围起来，使无人机在开伞，降落时更加安全，增加了无人机的安全性。无人机机体采用现代流行的三角翼设计，翼型面积大，有利于升阻比的提高；翼型厚度明显降低，为无人机的中高速飞行提供了可能；机上设备设计巧妙，能使无人机自动或手动的完成各种相关动作。

图5-1 涵道风扇式无人机整体结构图

5.1 涵道风扇整体布局

涵道风扇主要由外涵道，发动机，发动机托架，轮盘，叶片，整流锥等主要部分组成，如图 5-2 所示为本设计中涵道风扇的整体结构图。

图 5-2 涵道风扇整体结构图

5.2 涵道风扇各部分的结构

- 9 - 西安航空职业技术学院毕业设计论文

涵道风扇的最外面为外涵道，如图 5-3所示，其采用玻璃钢制造，质量轻，可加工性好。外部设计有耳片，涵道就是通过这个耳片安装到飞机上的。涵道里面有一块平直的板，这上面将会安装发动机托架，其支撑发动机的作用。支撑板上和涵道下面都开有较大的方槽，主要是发动机排气管的通道，同时也减轻了外涵道的重量。

图 5-3 外涵道示意图

6. 涵道风扇发动机油门控制设计

6.1 无人机控制系统及无人机发展趋势

无人机的控制可以简单的概括为两大部分，飞机姿态控制和飞机的动作控制，当然还有其他方面的控制，但也都是为这两部分控制服务的。飞机姿态控制是指通过地面操作手的操作或者通过飞机自身程序保持某一种姿态的过程，而飞机的动作控制是指通过地面操作手的操作或者通过飞机自身程序改变飞机姿态的过程。一般地，无人机在飞行过程中，总是伴随着姿态的保持或姿态的改变，这些都是要通过手动或自动控制来完成的。就目前无人机的发展趋势来看,无人电子战飞机、无人战斗机、高空长航时无人机和微型无人机都是未来无人机发展方向，具体来说有以下特点：

（1）隐身化。隐身战斗机的技术已日见成熟,隐身技术应用到无人机上是大势所趋，美军最先研制出的暗星隐身无人机,是一种高空长航时的战术无人机。

（2）由低空、短续航变为高空、长航时。在未来战争中,长航时无人机, 特别是高空长航时无人机将成为侦察卫星和有人驾驶战略侦察飞机的重要补充和增强手段。一些国家已将其作为一个环节列入“军用卫星－载人飞船－预警机－战略导弹－长航时无人机”这一防卫作战大系统,实施战略侦察, 直接向任务系- 10 - 西安航空职业技术学院毕业设计论文

统提供信息,成为获取战略情报的重要手段之一。

（3）向攻击型和杀伤型无人机转变，并由对地、对空目标攻击变为空中格斗。随着高新技术的发展以及捕食者无人机在阿富汗战争的作战运用,无人机将会变得更具攻击性。比如其上装备大气层截击导弹,可拦截在助推段飞行的弹道导弹；安装先进中程空对空导弹、高速导弹或者不死鸟空对空导弹,可以拦射其它飞行器。无人机携带攻击性武器,还可对纵深之敌和地面目标进行攻击。特别是定向天线Ⅱ无人机,可在数千公里外的地面控制人员的操作下发射导弹。这就使该机具有了攻击性。21 世纪将出现能够深入战区纵深,在高度危险战场环境中执行攻击任务的无人作战飞机。这种飞机能执行现有轰炸机、战斗机、武装直升机和巡航导弹的任务,成为一种新型精确打击武器系统。

（4）小型化、智能化、通用化。随着微电子技术和纳米技术的飞速发展,21世纪的无人机将变得“微乎其微”，如美军正在研制一种微型无人机,能够在城市的建筑物之间飞行；还有一种微型无人机可从人员的手掌上起飞。美陆军认为,无人战斗机近期只是有人驾驶系统的辅助,在中长期,应能按预先设定的程序半自主地完成任务,而在远期(2020—2025 年以后)，则应该能从头至尾完全自主地完成任务,当然仍需要人员的监控。各种型号无人机的监控将实现通用化,不同型号无人机获取的信息可以实现资源共享。

（5）无人机向高生存率、低造价、低损耗方向发展。无人机不如有人驾驶飞机可靠,其坠毁事故是有人驾驶飞机的 4～5 倍,迄今还不容许它在民用空域飞行。21 世纪的无人机将是一种“贫民化”的新型武器,造价和损耗以及维护的费用将大大降低。无人机将出现在世界许多国家的军队。

（6）多无人机编队飞行。无人机的脆弱性、高风险性和载荷能力的局限性,都决定了随着应用的不断扩展和使用要求的不断提高,通过选择多个无人机协作来执行任务将是一个必然的途径。

6.2 涵道风扇发动机的油门控制

涵道风扇的控制主要指涵道风扇发动机转速的控制。在过去的无人机动力设备的控制中，控制参数是活塞式发动机的油门开度，由于发动机的工况在不断的发生变化，所以油门开度一定时发动机的转速并不一定相同。在无人机的控制中，越来越需要精确的转速控制，于是在本课题中，将发动机的转速反馈信号引入到控制系统中，与地面指令一起来决定控制发动机油门开度的舵机，这样，就增加了涵道风扇油门控制系统的控制精度，使发动机的转速更加接近要求的值。

- 11 - 西安航空职业技术学院毕业设计论文

6.3 舵机控制原理

舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为 20ms，宽度为 1.5ms的基准信号，如图 6-3所示，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

图6-3 舵机的脉宽控制

可以利用多种方法来产生舵机的控制信号，如 FPGA、单片机等，但是FPGA

成本较高，本文选择使用单片机来控制舵机。单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的 PWM 周期信号，本设计是产生 20ms 的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟 PWM信号的输出，并且调整占空比。

当单片机控制舵机时，采用的控制方式是改变单片机的一个定时器中断的初值，将 20ms 分为两次中断执行，一次短定时中断和一次长定时中断。这样既节省了硬件电路，也减少了软件开销，控制系统工作效率和控制精度都很高。

6.4 涵道风扇控制原理

捷克产 ZDZ210 发动机的转速控制是通过安装在尾部化油器上的油门和节气门来控制的，在无人机飞行时节气门处于最大开度状态，于是发动机的控制就变成了油门的控制。如前所诉，传统的无人机发动机控制理论中都是以油门为控制参数，采用航空舵机直接控制，如图 6-4 所示。这种控制方式的因为没有反馈信息，所以精度太低，为本课题的改进对象。

图6-4 传统无人机发动机转速控制

本文在这个控制的基础上，利用单片机对反馈信号和输入信号进行处理，达- 12 - 西安航空职业技术学院毕业设计论文

到精确转速控制的目的，如图6-5所示。与此同时，地面站也能实时检测涵道风扇发动机在空中的运行情况，对突发状况进行及时处理，不仅增加了控制的精度，而且还提高了运行的安全性。

图6-5 涵道风扇转速控制

6.5 涵道风扇油门控制设计

根据涵道风扇的控制原理，我们可以设计出涵道风扇的控制部分。这种控制方式引入了发动机的转速反馈信号，设计程序的流程图如图 6-6所示。

图6-6 控制程序流程图

将发动机的油门开度分为 100 份，每一份代表一个确定的转速，而油门的开度相当于控制它的航空舵机的转动角度，于是，只需要将舵机的角度分成等值的 100 份，就可以代表不同的转速。每一个舵机的角度对应着唯一的一个 PWM

信号，地面设备所输出的信号就是这样的一个个标准的 PWM 信号。发动机的转速反馈信号是一系列的脉冲信号，一个脉冲就代表发动机转动一圈，这样就可以很容易的得到发动机的转速周期，将这个周期转化为所对应的 PWM 时间，再与输入信号比较计算，就可以得出调整后的输出结果，这样反复的循环就可以使发动机的转速接近要求的值。

- 13 - 西安航空职业技术学院毕业设计论文

结束语

完成情况：无人机的动力装置是整个无人机系统的心脏，涵道风扇效率高，耗油量小，成本低，在未来的无人机系统发展中，必将广泛应用。本文阐述无人机动力装置的分类应用及发展趋势，并且进一步通过图表、数据参数具体的描述出了涵道风扇的结构设计及涵道风扇的油门控制及其设计、舵机的控制原理。

所得收获：从三年的学习中不难看出，无人机动力装置在无人机上所占的重要位置，所以保持动力装备的性能良好是非常重要。当然通过完成本次论文也让我受益匪浅，不仅锻炼了良好的逻辑思维能力，而且培养了我弃而不舍的求学精神和严谨作风。回顾此次毕业设计，是大学三年所学知识很好的总结。当然这篇论文难免会有不足和漏洞，也希望指导老师的谅解。

此次到处寻找文件不仅重温了过去所学知识，而且学到了很多新的内容。所以我很用心的把它完成了。而在完成过程中所掌握的知识相信也会让我终身受用的，让我在今后的道路上走的更高更远！

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谢辞

在整个毕业设计中，我得到了指导老师石日昕老师的热心指导和帮助，石老师同时也是我们的任课老师，他的课认真严肃一丝不苟，能够结合自身经验，把课本和实例结合在一起，让我们可以对所学知识感到浓厚的兴趣，并且在指导我们毕业设计也尽职尽责，对同学们的疑问都能一一解答。所以我由衷的感谢他给予我们的启迪给予我们的帮助。

同时我也要感谢无人机班的全体同学，三年的大学生活，他们帮助了我很多，让我明白了很多道理，同时也打下了良好的基础，我才能顺利的完成这次的毕业论文，也希望我们的情谊天长地久，今后共同努力进取。

再次谢谢你们，谢谢！