重力感应倾斜旋翼飞机

摘 要：文中设计了一款重力感应倾斜旋翼飞机，该飞机集固定翼飞机和多轴飞行器的优点于一身，兼具垂直起降能力和高速飞行能力，不仅可以应用于快递业务，还能在抗震救灾，城市管理，空中巡查中发挥更大的作用，具有良好的经济效益和社会效益。

关键词：重力感应；垂直起降；高速飞行

1 作品简介

本作品为四发可倾斜旋翼飞机，机翼顶端和掠翼顶端共有四台电动机可独立绕轴转动，集固定翼飞机和多轴飞行器的优点于一身，兼具垂直起降能力和高速飞行能力。通过控制旋翼的倾斜角度可实现飞机的空中倒车，使其在空中更加灵活。

控制系统通过Arduino单片机组成的热切换系统可以单独切换两种飞行模式，即垂直起降模式和固定翼飞行模式。在垂直起降模式下垂直起飞到一定高度后，可以转换成固定翼飞行模式，四台电动机分成两组绕轴转动，提供动力输出，机翼展开，提供飞行所需的升力。飞机到达目的地时，再次转换为垂直起降模式，垂直下降到达地面。通过手机App蓝牙连接手机和飞控切换板，实现重力感应控制。

由于可倾斜旋翼飞机具有飞行时间长，全区域垂直起降等特点，与长时间续航等优点，势必在以后的抗震救灾，城市管理，空中巡查中发挥更大的作用。重力感应倾斜旋翼飞机实物如图1所示。

2 工作原理

本作品为可倾斜旋翼飞机，机翼顶端和掠翼顶端共有四台电动机，通过前板和后板的舵机控制可以独立绕轴转动，使用舵机控制电机固定轴转动实现矢量控制，通过控制旋翼的倾斜角度可实现飞机的空中倒车。

两套控制系统共用遥控信号输入端口，GPS端口，I2C串口，通过遥控器来切换相应的飞行模式。在遥控器AUX4处输出PWM值，1 500+时为S4的锁定模式，防止意外操作导致飞机起飞。在PWM为1 2001 500之间时是S4的稳定模式，此时S4通过计算MPU6050的倾斜量来获得相应的飞机姿态，通过CH1CH4输出相应的控制量给电子调速器（ESC）来控制飞机的姿态。当输出为1 0001 200时是S4的定高模式，保持高度和位置恒定，此时配合Arduino切换板来切换固定翼和多轴模式，即可实现多轴和固定翼的转换。

固定翼飞行控制是由基于Arduino的WMC飞控实现的，MWC是由Arduino拓展来的飞行控制模块，其中集成了Arduino pro，MPU6050加速度计，LPS331AP气压计和LSM303DLH三轴磁场模块。

四轴下的飞行姿态控制是由S4 V1控制模块实现的，它是由STM32 F103ZET6拓展来的飞行控制模块，集成了MPU6000、LSM303DLH等模块，主要用来监测飞行器的A斜状态和航向状态。S4控制模块还可以加装LEA 的GPS（包括6Q.6M.6H.7M.7N.M8N.8L等）。

在垂直起降模式下垂直起飞到一定高度后，可以转换成固定翼飞行模式，四台电动机分成两组绕轴同向转动84°，54°，提供动力输出，机翼展开，提供飞行所需要的升力，到达目的地时，飞机再次转换成垂直起降模式，垂直下降到地面。通过手机App连接WiFi模块和飞控切换板，在手机上点击相应的按钮就可控制飞机飞行，此时WiFi模块的数据在飞控热切换板和S4中有优先执行权，遥控器失去作用。在手机App上还可以通过倾斜手机借助手机重力感应控制飞机飞行。通过WiFi可以实时获取飞机的位置坐标和GPS数据，实现对飞机飞行状态的实时监控。测试实景如图2所示。

3 创新点

本作品包含如下优点：（1）使用倾斜旋翼技术，矢量旋翼控制具有垂直起降能力和高速飞行能力。缩短飞机姿态调整时间。（2）独创的以Arduino小板为核心的飞控热切换系统，在飞行过程中可实时切换控制主控，实现固定翼模式与多轴模式的转换。

4 市场前景

由于可倾斜旋翼飞机具有飞行时间长，可几乎无视地形的全区域垂直起飞降落，较直升机而言具有负载大，震动和噪音小等特点，因此成为众多航模爱好者所钟爱的未来飞行器之一。

4.1 快递业务

在现代社会快速发展的前提下，快递业务开展的如火如荼，但怎样才能更快，更便捷的把快递投送到相应地点呢？在这种要求下，无人机快递业务应运而生。

以倾斜旋翼飞机作为平台，携带Ubnt高清图传，可以更加清晰地看到飞行器经过的路线，辨别收取快递的人，多个Ubnt可以组成相应的局域网络，一个城市内可建立多个基站，作为发射节点，飞行器上携带的ubnt也可以作为通讯的中继模块，组成一个较大的网络，以提供更加便捷的通讯。

4.2 灾害搜救

因为倾斜旋翼飞机有较长的续航时间，可以携带负载飞行较远距离，通过飞行器自带的摄像头可以回传实时高清影像，地面指挥所对传回的图像进行准确快速的判断。在指定地点空投负载（例如远程中继），此时机载Ubnt可以作为远程中继，收集地面人员给出的资料，包括影像资料，AC数据包，语音信息等。