基于PIXHawk飞控的倾转旋翼无人机设计

1. 引言

随着经济快速发展，电能需求剧增，维护电力系统安全、排查输电线路故障至关重要。传统人工巡检在高山林地等复杂地形中存在工作量大、技术体能要求高、危险性大等问题。无人机凭借轻巧便携、易于操作、可开发性强等优点，成为电力巡检自动化的重要组成部分。本文旨在研制适用于电力巡航领域的倾转旋翼无人机，通过倾转机构调节电机角度，实现多旋翼与固定翼飞行模式切换，减少对起降场地的要求，提高续航时间。

2. 设计方案

通过研究倾转机械结构、飞行控制部分和图像传输部分。设计的倾转旋翼无人机包括机身、机翼、尾翼、飞行控制模块和倾转模块。通过 PIX Hawk 飞行控制系统控制电机角度转换，实现垂直起降和固定翼飞行模式切换。

2.1 机型选择

结合滑翔机和三旋翼无人机的优点，减少无人机整体重量，利用多旋翼特性实现垂直起降，借助滑翔机滞空能力提高续航时间和巡线距离。

2.2 机翼分析

本课题选用上凸下凹型NACA 0010 和上凸下平型NACA 4412 两种翼型进行分析，在翼型数据分析中模拟了两种机翼副翼上升 7^∘ °和副翼下降7°两种状态，总共是四种状态的数据分析。

图2-1 机翼剖面示意图

因为本研究涉及的两种机型已经非常成熟，所以对于弦长，翼展和质量上不需要进行更改，在分析模式只需要选择type 1 固定值分析，雷诺值设定为1000000，N 值设定为9，考虑到无人机在飞行速度上只能算为低速飞机，马赫数直接设定为0 就行。测试的俯仰角度范围在- ⋅20°-20° °。

根据分析可知 NACA 4412 升速快、动力需求小、飞行灵活，能提升飞机电池续航时间和巡航范围。

2.3 倾转旋翼无人机模型示意图

2.4 飞行模式规划

无人机在整个过程中应当实现由多旋翼-固定翼-多旋翼的转变，对整个飞行模式的设计如下：

（1） 起飞：3 个电机位置均垂直于地面，1 号电机，2 号电机和3 号电机同时逆时针旋转。（2） 起飞情况下的飞行模式切换：3 个电机停转，舵机控制 1 号电机和 2 号电机旋转 90°，调整至与地面水平的位置。

（3） 飞行：1 号电机顺时针旋转，2 号电机逆时针旋转，3 个电机停转，为无人机提供前拉的动力。（4） 降落情况下的飞行模式切换：3 个电机停转，舵机控制1 号电机和 2 号电机旋转-90°，调整至与地面垂直的位置。

（5） 降落：3 个电机位置均垂直于地面，1 号电机，2 号电机和3 号电机同时逆时针旋转。

3.系统设计

3.1 硬件设计

倾转旋翼无人机在传统固定翼机型上增加倾转装置，通过遥控器控制倾转装置实现飞行姿态切换，搭载图传输模块和摄像头回传输电线路情况。

飞行控制模块选用 PIX Hawk 飞控，其以 STM32F427 为主控芯片，内置两套陀螺仪和加速度计传感器，具备多个可扩展 I/O 接口，可稳定无人机飞行姿态。信号接收模块采用天地飞 RF206S 6 通道导航型接收机，与 ET 系列遥控器配套，提升天线性能和可控范围，解调遥控器信号控制电机转速。动力模块包括银燕 CF2812无刷电机、适配的无刷电调、2200mah 放电倍率 20C 的 3S 锂电池，以及 PDB-TX60 分电板，可将 12V 电压转换为 5V 供舵机和接收机使用。桨叶根据电机 KV 值和机翼长度选择合适尺寸，平衡动力和能耗。倾转结构上端连接电机，内部含 9g 金属舵机，通过齿轮传动实现电机方向转换，由 3D 打印制作，保证精度和减轻重量。转向及角度调整模块采用辉盛 9g 塑料舵机控制固定翼副翼，辉盛 9g 金属舵机安装在倾转装置内控制电机换向，利用 PWM 信号控制舵机角度。图像传输模块选择 5.8G 工作频率、600mw 发射功率的无线图传模块和 1000TVL CMOS 摄像头模块，实现图像实时传输。各模块协同工作，为无人机飞行控制提供硬件支持。

3.2 软件设计：

基于 PIX Hawk 飞控及其配套的 PX4 编程软件展开。PX4 作为专业的无人机编程软件，提供了丰富的底层脚本，便于通过修改参数调整飞行姿态。软件设计主要涵盖起飞程序、飞行模式切换程序和降落程序。在起飞程序中，无人机通过判断航点类型并执行相应的控制逻辑，在满足条件后解锁等待起飞指令。飞行模式切换程序则在无人机达到预设高度时，通过飞控的气压计检测高度，将飞行状态从多旋翼模式切换至固定翼模式，此时三号电机停止转动，一号和二号电机转为前拉模式提供飞行动力。降落程序则在完成巡线任务后，将无人机从固定翼模式切换回多旋翼模式，执行降落操作。整个软件设计通过调参软件连接 PIX Hawk 飞控，对飞行数据日志进行分析和调整，确保无人机飞行的稳定性和精确性。

4.结论

无人机在电力巡检中的应用日益广泛，本课题设计的倾转旋翼无人机虽实现图像传输，但仍存在不足，如无法处理输电线路故障，需人工维修。未来可进一步开发无人机功能，搭载火焰喷射装置处理异物，配备温湿度传感器收集环境数据，升级摄像机实现自动存储录像功能。要实现无人机电力巡航高智能化，还需深入研究自动控制，掌握更多控制方法和通信方式，融合多传感器和检测器械。

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基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目资助（项目编号 202410066031）

作者简介：李佳桐（2004 年11 月），女；汉族，江苏，本科，学生，自动化陈继欢（2000 年12 月），男，汉族，云南，本科，学生，自动化王伟杰（2003 年12 月），男，汉族，江苏，本科，学生，自动化

郝立果（1978 年8 月），男，汉族硕士，工程实训中心教师，副教授，工业自动化