一种基于单片机的遥控直升飞机设计

本发明涉及遥控直升飞机技术领域，具体涉及一种基于单片机的遥控直升飞机设 计。

人类自古以来就幻想着飞行。在载人的航空器出现之前，人类就创造了许多能飞 行的航空模型，不断地探索着飞行的奥秘。距今2000多年前的春秋战国时期，我们的祖先就 制作出能飞的木鸟模型。另外，还制作出种类繁多的孔明灯、风筝和竹蜻蜓等。美国的莱特 兄弟是世界上第一架飞机的制造者，他们的飞机在1903年12月17日试飞成功。

在飞机发明之前，航空模型具有强烈的探索性质，在飞机发明之后，航空模型仍然 是研究航空科学的必要工具。每一种新飞机的试制，都要先在风洞里用模型进行试验，甚至 连航天飞机这样先进的航空器，也要经过模型试验阶段，取得必要的数据，才能获得成功。

航空模型是很有实用价值的器具。我国汉代就有用风筝测量距离和传递信息的。 随着航空模型的发展，特别是无线电遥控模型飞机的日臻完善，航空模型的用途越来越广 泛。

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直线飞行、转弯、上升、俯冲等飞行动作，甚至在 靶机上完成空投降落伞、发射模型火箭、投放、施放拖靶等特技动作。在实弹射击时候， 可以在航模靶机尾部几十米远处拖拽一个彩靶袋，以靶袋作为目标，避免击毁靶机。在无 线电遥控模型飞机上装上摄影机，就可以对地面进行航空摄影，拍摄一些人们不容易接近 的野生动植物，甚至可以拍摄一些危险性很大 的惊险镜头或战斗场面等。

航空模型是普及航空知识的玩具。航模活动是很多航模爱好者和广大青少年学生 喜欢参加的课外活动。这不仅是学生的年龄层次决定的，更重要的是航模活动集科技性、知 识性、趣味性、竞技性、实践性等优点，对锻炼青少年动手动脑能力，促进全面素质的提高， 有着十分积极的作用。

本发明涉及遥控直升飞机技术领域，具体涉及一种基于单片机的遥控直升飞机设 计。本发明以单片机STC89C51基础，通过红外控制直升机的平衡、上升、下降、左转、右转，以 实现遥控航模直升机的目的；本发明通过两个操作杆控制遥控器输出的红外信号，当单片 机接收有效的输入信号，经过单片机控制处理后，将信号传给电动机，通过前后电动机的 正、反转动控制直升飞机的运动。

图1：陀螺效应示意图。

图2：初始平衡状态图。

图3：0度、180度状态图。

图4：90度、270度状态图。

图5：初始平衡状态图。

图6：气流干扰下的主旋翼失衡状态图。

图7：希拉小翼平面与空气平面之间的β角图。

图8：红外发射电路图。

图9：遥控接收器主程序流程图。

图10：红外接收电路图。

图11：PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形图。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。

本发明涉及遥控直升飞机技术领域，具体涉及一种基于单片机的遥控直升飞机设 计。本发明以单片机STC89C51基础，通过红外控制直升机的平衡、上升、下降、左转、右转，以 实现遥控航模直升机的目的；本发明通过两个操作杆控制遥控器输出的红外信号，当单片 机接收有效的输入信号，经过单片机控制处理后，将信号传给电动机，通过前后电动机的 正、反转动控制直升飞机的运动。

进一步的，本发明的旋翼头是直升机中最神奇，也是最关键的部件。直升机的绝大 多数性质，比如稳定性、灵活性，包括所谓操纵感觉，都是由旋翼头决定的。遥控直升机的旋 翼头采用贝尔-希拉操纵方式，也就是一对主旋翼，产生升力，同时靠一对小翼控制升力的 方向，从而达到控制直升机的目的。

进一步的，所谓陀螺效应，就是旋转着的物体具有像陀螺一样的效应。陀螺有两个 特点：进动性和定轴性。当高速旋转的陀螺遇到外力时，它的轴的方向是不会随着外力的方 向发生改变的，而是轴围绕着一个定点进动。陀螺在地上旋转时轴会不断地扭动，这就是进 动。图1是陀螺效应的示意图，在图1中，圆盘是陀螺。L是圆盘的角动量，其大小是R×Mv或者 Iω。由于在力学中，有M=dL/dt，所以M和dL方向相同。这直接导致了高速转动的陀螺在受到 F后，整个陀螺以X轴为转轴转动而不是以Y轴为转轴。这就是神奇的陀螺效应。这种效应一 直伴随着直升机的飞行。例如：要使直升机仰俯，就必须要使直升机左右的升力不平衡而不 是使其前后不平衡。基于这种原理我们下面就来解释遥控直升机的所谓贝尔-希拉操纵方 式。

进一步的，在遥控直升机中，主旋翼就是一个大陀螺，它本身具有陀螺效应。当我 们改变主旋翼倾角时，直升机的运动状态就会发生改变。但同时，如果用舵机直接改变主旋 翼的倾角来控制飞机，问题是很多的。首先，主旋翼倾角的改变需要较大的力矩。如果用十 字盘直接控制的话，强大的、交变的力矩将会直接作用到舵机上。这样舵机将会受到很大负 荷，操纵精度会严重下降。第二，当直升机受到轻微扰动后，由于陀螺的进动性，直升机将不 会恢复原来状态，而是绕着垂线方向进动。由于重力不通过旋翼头中心，所以造成力矩的产 生，从而导致主旋翼发生进动。这个问题是严重的，会直接导致遥控直升机悬停及飞行时无 法稳定。基于以上问题，贝尔-希拉操纵方式产生了。操纵过程是这样的：

（1）初始状态如图2所示，希拉小翼由于空气和离心力作用，和主旋翼平面平行。此时两 片主旋翼升力相等，飞行状态不发生变化；

（2）操纵状态：图2为同一个视角，主旋翼转动到不同角度时的状态。在图3中，操纵者将 十字盘倾斜。希拉小翼就与空气呈10°倾角。由于空气的作用，希拉小翼在图3位置受力。由 于陀螺效应，希拉小翼不会在图3位置立即上抬，而是在转过90°后在上图4位置上抬。于是 希拉小翼旋转平面与主旋翼平面呈10°夹角并稳定于此。在图4中，我们清晰地看见，由于希 拉小翼通过连杆控制着主旋翼的倾角，所以希拉小翼旋转平面的改变导致了主旋翼与空气 产生夹角。从而使主旋翼在图4位置受力。由于陀螺效应，主旋翼不会在图4位置立即上抬， 而是在转过90°后在图3位置上抬。从而使得主旋翼平面趋于平行于希拉小翼。至此，遥控直 升机主旋翼平面的倾转过程已经分析完毕。我们看到，遥控直升机的倾转总是希拉小翼旋 转平面先倾转，主旋翼平面跟上趋于平行的过程。有意思的是，在这一过程中主旋翼操纵的 负荷被希拉小翼完全承担。舵机只需承担操纵希拉小翼的负荷。这就有效地化解了一般操 纵方式舵机负荷过重的问题。

进一步的，贝尔-希拉操纵系统的干扰-稳定过程：

（1）初始状态如图5所示，希拉小翼由于空气和离心力作用，和主旋翼平面平行。此时两 片主旋翼升力相等，飞行状态不发生变化；

（2）外界气流对飞机进行干扰。当遇到气流时，由于主旋翼的旋转，会导致左、右主旋翼 相对于空气的速度不同，从而产生力矩，使飞机偏离平衡位置。如图6所示，飞机机身及主旋 翼平面由于干扰而失去平衡位置。但由于希拉小翼采用对称翼型，不会受到外界干扰。由于 陀螺效应的定轴性，希拉小翼平面保持不变。所以此时主旋翼平面由于与希拉小翼平面有 夹角而产生恢复力矩，抵抗外界干扰。这就是贝尔-希拉控制方式的自稳定过程。也正是这 个过程，使得遥控直升飞机避免了被干扰后就陷于进动的问题。同时，当直升飞机高速前进 时，由于左、右主旋翼相对空气的速度不同，会导致力矩的产生，使飞机抬头的现象也被这 种贝尔-希拉控制方式有效抑制，从而有效地提高了遥控直升飞机的可操纵性。值得注意的 是，贝尔-希拉自稳定过程不能抑制过强的干扰。原因是希拉小翼旋转平面保持原来运动状 态的同时，由于机身的倾斜，小翼与空气平面会产生夹角，从而破坏小翼原来的运动状态。 如图7所示，由于β角的存在，希拉小翼旋转平面会向主旋翼旋转平面方向旋转，最后趋于平 行。所以贝尔-希拉的自稳定过程是有限的。还需要其他手段（比如使希拉小翼不太灵敏）来 增加稳定性。

进一步的，本发明的红外遥控是单工的红外通信方式，整个通信中，需要一个发射 端和一个接收端。发送端采用单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信 号，通过红外发射管发射红外信号。红外接收端普遍采用价格便宜，性能可靠的一体化红外 接收管接收红外信号，它同时对信号进行解调、放大、检波、整形，得到相应的信号，再送给 单片机，经单片机控制相关的被控对象。该系统的软件主要可以分为红外发射、红外接收和 电机控制三部分，其中具体有单片机初始化程序、红外发射编码和红外接收解码程序和产 生PWM信号等模块。

进一步的，当某个操作按键按下时，单片机先读出键值，然后根据键值设定遥控码 的脉冲个数，再调制成38kHz方波由红外发光管发射出去。通常，红外遥控是将遥控信号（二 进制脉冲码）调制在38KHz的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，转化为红外信号 发射出去的。为了提高抗干扰性能和降低电源消耗，将上述的遥控编码脉冲对频率为38KHz （周期为26us）的载波信号进行脉幅调制（PWM），再经缓冲放大后送到红外发光管，将遥控信 号发射出去。红外信号发射过程:首先装入发射脉冲个数(发射时为3ms脉冲，停发时为1ms 脉冲)，此时若发射脉冲个数为1则返回主程序，若不为1则发1ms脉冲，然后停发1ms脉冲，这 样便结束整个发射过程。在实践中，采用红外线遥控方式时，由于受遥控距离，角度等影响， 使用效果不是很好，如采用调频或调幅发射接收码，可提高遥控距离，并且没有角度影响。

进一步的，本发明的遥控发射器采用码分制遥控方式，码分制红外遥控就是指令 信号产生电路以不同的脉冲编码（不同的脉冲数目及组合）代表不同的控制指令。单片机遥 控发射器主要由单片机、操作杆、红外发射电路三部分组成。单片机部分主要完成遥控发射 器发射过程的控制。单片机选用STC89C51，其中P0.7用于输出方波信号控制红外发射电路 的工作，遥控器信息码由STC89C51单片机的定时器1中断产生38KHZ红外方波信号，由P0.7 口输出，经过三极管进行放大，由红外发射管发送，改变滑动变阻的阻值大小可以改变红外 发射的距离。在确定选择STC89C51作为本设计发射电路核心芯片和点触式开关作为控制键 后，加上一个简单红外发射电路和12M晶体震荡器便可实现红外发射。发射部分的主要元件 为红外发光二极管。它实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光 二极管，因而在其两端施加一定电压时，它发出的便是红外线而不是可见光。目前大量使用 的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，外形与普通的发光二极管相同，只是颜 不同。遥控发射通过操作杆产生具有不同的编码数字脉冲，这种代码指令信号调制在 38KHz的载波上，激励红外光二极管产生不同的脉冲，通过空间的传送到受控机的遥控接收 器。P1口作为按键部分，P0.7口作为红外发射部分。电路图如图8所示。

进一步的，本发明的红外遥控接收部分的主程序和初始化程序如下：首先进行初 始化,然后检查是否有接收标志位，若有则调用相应的操作程序，然后清零中断标志位。当 红外线接收器输出脉冲帧数据时，第一位码的低电平(3ms)将启动中断程序，实施接收数据 帧的操作。在数据帧接收时，将对第一位（起始位）码的码宽进行验证。若第一位低电平码的 脉宽小于3ms，将作为错误码处理。当间隔位的高电平脉宽大于2ms时，结束接收，然后根据 累加器A中的脉冲个数，调用相应的操作程序，执行相应输出口的操作。接收端程序流程图 如图9所示，首先判断低电平脉冲宽度是否大于2ms，若脉宽不到3ms，则中断返回；若低电平 脉宽大于2ms，则进行接收并对脉冲个数进行计数,然后判断高电平脉冲宽度是否大于2ms， 若高电平脉宽不到2ms，则返回上一接收计数过程再次进行计数；若高电平脉宽大于2ms，则 按照统计的脉冲个数调用相应的操作程序。此时中断返回。红外接收电路：在接收过程中， 信号经过HS0038红外一体化红外接收管，此信号经过解调、放大、检波、整形在送到单片机 中，从而完成相应的遥控功能。接收电路图见图10。红外遥控器将遥控信号(二进制脉冲码) 调制在38KHz的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，产生红外信号发射出去。将上 述的遥控编码脉冲对频率为38KHz(周期为26μs)的载波信号进行脉幅调制(PAM )，再经缓 冲放大后送到红外发光管，将遥控信号发射出去。根据遥控信号编码和发射过程，遥控信号 的识别－即解码过程是去除38KHz载波信号后识别出二进制脉冲码中的0和1。由MCS—51系 列单片机STC89C51、一体化红外接收头、还原调制与红外发光管驱动电路组成。一体化红外 接收管HS0038的解调可以理解为：接收到红外脉冲串时，输出低电平，否则输出高电平，显 然输出的信号极性与发送信号的相反。所以解码时要将接收到的信号经过反向才能和发送 信号编码一致。当接收端接收到表示传输开始的同步帧后，接收单片机进入解码过程，解码 采用软件抽样判决。红外遥控器接收部分由主程序、信号解码子程序和执行控制子程序，主 程序负责初始化，检查有无红外信号。控制程序则随各设备的不同而不同。HS0038可以直接 对红外信号进行解调，并将解调后的信号直接给微处理器进行解码和存储。接收部分主要 元件是红外接收管，它是一种光敏二极管（实际上是三极管，基极为感光部分）。在实际应用 中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用 时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。

进一步的，本发明的脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有 效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：冲 量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一 系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。图11 为PWM降压斩波器的原理电路及输出电压波形。在图a中，假定晶体管V1先导通T1，秒(忽略 V1的管压降，这期间电源电压Ud全部加到电枢上)，然后关断T2秒(这期间电枢端电压为 零)。如此反复，则电枢端电压波形如图b中所示。电动机电枢端电压Ua为其平均值。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本 发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利 的保护范围之内。