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针对传统摆振板机制存在的机械复杂性和可靠性问题，本文提出了一种基于无刷直流电机循环速度调制的无摆振板控制方法，结合FOC闭环控制实现精确推力矢量，实验验证了其在不同节流和控制输入下的有效性，为无人机技术发展提供新思路。
张明亮|郭庆|孙文|周志杰|马德孝
西北工业大学航空学院，中国陕西省西安市长安区东翔路1号，710129
摘要
传统的摆板机构虽然对精确的机动性至关重要，但引入了显著的机械复杂性和可靠性挑战，尤其是在微型无人机直升机中。这促使人们研究无需摆板的替代方案，以简化设计同时保持性能。Paulos提出了一种开创性的无摆板机构，此后引发了大量研究。然而，现有文献对循环速度调节方法的描述有限。本文提出了一种新颖的循环速度调节方法，以实现无人机的无摆板循环俯仰控制。该方法利用无刷直流电机中的循环速度调节，通过惯性和空气动力相互作用来改变叶片俯仰角度，从而消除了对摆板的需求。基于磁场定向控制（FOC）的闭环控制系统能够动态调整电机速度，以在特定机械位置实现精确的推力矢量控制。实验结果验证了该方法在不同油门设置和控制输入（俯仰/滚转）下实现准确速度调节的能力。这种方法简化了直升机设计，实现了无需机械摆板的有效循环控制，推动了无摆板无人机的发展。
引言
在过去的几十年中，无人机（UAV）取得了显著进展，并在全球范围内迅速普及[1]。目前，无人机平台主要分为两种类型[2]：固定翼无人机和旋翼无人机。这两种类型各有优势，但也存在固有的局限性。固定翼无人机在巡航速度、载荷能力、飞行范围和续航能力方面表现优异[3]、[4]、[5]。然而，它们需要跑道或专门设计的起飞和回收设备才能可靠起降，不适合需要超低飞行速度或狭小空间的任务。相比之下，旋翼无人机在起飞和降落地点的要求更为灵活，并具有悬停的独特能力，增强了其在任务执行、摄影、森林火灾监测等方面的多功能性[6]、[7]、[8]。尽管如此，它们的速度和续航能力限制了其在需要广泛覆盖或长时间续航任务中的有效性。
旋翼无人机可以进一步分为两种主要类型[9]：多旋翼无人机和单旋翼无人机。多旋翼无人机（包括四旋翼、六旋翼和八旋翼）因其简单的设计、易于控制和高机动性而受到青睐[10]、[11]、[12]。然而，它们的飞行速度、续航能力和载荷能力有限，限制了其在某些场景中的使用。另一方面，单旋翼无人机提供了更高的飞行性能、续航能力和载荷能力[9]、[13]。尽管如此，它们的控制和维护难度更大，机械系统也更容易磨损和故障。
作为单旋翼无人机的一种，无人机使用摆板机构来调节旋翼叶片的循环俯仰角度。这一创新组件对于确保直升机的最佳飞行性能至关重要，使其能够在各种飞行机动中实现精确控制。然而，摆板机构由旋翼叶片、旋翼毂和旋翼头组成，其结构较为复杂[14]。为了替代摆板机构，人们提出了多种不同的方法，从而减轻直升机的体积和重量，并提高其整体可靠性。在[15]中，提出了一种通过线圈驱动的磁铁来偏转叶片来实现飞机姿态控制的新方法。在[16]中，另一种称为电控旋翼的无摆板旋翼验证了主动振动和噪声控制的可行性。如今，人们使用主动和被动流动控制方法来提高飞机的空气动力性能[17]。Paulos等人[18]在2013年提出了一种无摆板机构，消除了传统的摆板机构，这是一种被动控制方式。这种创新设计无需摆板即可实现循环俯仰控制，具有结构简化、成本降低和可靠性提高等优点。
在本文中，我们专注于Paulos最初提出的创新无摆板机构，由于其独特的设计和潜在优势，在该领域引起了广泛关注。在[19]中，对不同尺寸（从10厘米到1米）的无摆板旋翼进行了实验，运行速度在300转/分钟到9000转/分钟之间。结果证实，主导的惯性动力学在不同旋翼尺寸上是可扩展的。这种无摆板机构已成功应用于同轴直升机，展示了出色的飞行性能[20]。此外，[21]介绍了一种采用无摆板旋翼的新双旋翼无人机，证明了其在处理重载荷和在各种干扰下保持稳定性的能力。在[22]中，开发了一种基于无摆板机构的自旋转单旋翼无人机，与具有相同总螺旋桨盘面积和航空电子载荷的基准四旋翼无人机相比，功耗降低了26.7%，同时保持了高敏捷性。在[23]中提出了一个基于欧拉-庞加莱理论框架的无摆板无人机的综合非线性模型，详细介绍了无人机的结构设计和旋翼控制机制。如[24]所示，无摆板机构中的铰链角度显著影响功耗和飞行行为。这突出了根据具体应用要求选择适当铰链角度的重要性。在[25]中开发了一种采用无摆板机构的迷你直升机，展示了其在悬停稳定性和姿态及位置控制方面的良好性能。
上述研究突显了Paulos提出的无摆板机构在各种应用中的潜力。此外，它减少了昂贵的电机和电力电子组件的需求，简化了最终组装，并减少了传统直升机中与摆板机构相关的维护挑战。然而，Paulos提出了一种使用单个执行器实现循环俯仰控制的方法，这比传统的摆板机构有了显著改进。然而，该方法并未完全解释，实施细节也未提供。本文旨在通过提供所提出方法的全面解释及其在无摆板机构中的实现来填补这一空白。通过关注基础原理和实际应用，这项工作旨在缩小知识差距并推动无摆板技术的发展。
本文的主要贡献总结如下：
1.对无摆板机构的详细分析，包括所提出的循环速度调节方法的设计和实现。
2.基于磁场定向控制（FOC）开发闭环控制系统，以实现无刷直流电机中的精确循环速度调节。
3.识别循环速度调节方法在高速条件下的固有局限性，特别是跟踪所需速度的挑战。这些局限性在之前的研究中尚未得到解决，对于无摆板机构的实际应用至关重要。此外，还提出了一种缓解这些局限性的解决方案，并通过实验进行了验证。
4.实验验证了所提出方法在实现无摆板循环俯仰控制方面的有效性。
本文的结构如下：第2节介绍了摆板和无摆板机构，重点介绍了它们的机械设计和循环俯仰控制原理。第3节概述了所提出的循环速度调节方法，包括其设计过程和控制框架。第4节详细介绍了实验设置和结果，第5节总结了研究的发现和结论。
部分摘录
传统摆板机构
自1939年美国西科斯基公司制造出世界上第一架真正实用的直升机以来，几乎所有直升机旋翼控制机构都采用了完整的循环俯仰控制机制。如图1所示，传统摆板机构是直升机飞行控制中的关键组件，能够精确调节旋翼叶片的俯仰角度，以实现所需的飞行动态[26]。传统摆板机构由一个固定的摆板组成
控制输入和输出
在精确驾驶无人机方面，遥控器或先进的地面控制站是指挥其运动的重要工具。对于微型直升机等小型无人机，通常使用手持遥控器，它配备了一个直观的操纵杆，使操作员能够精细调整直升机的俯仰、滚转和偏航，从而确保平稳稳定的飞行。在本文中，我们使用Gp来表示俯仰控制
实验设置
为了验证所提出的方法，构建了一个循环俯仰机构的原型，如图12所示。该原型由6S锂电池供电，控制算法在ESP32-S3微控制器上实现。无摆板机构的组件使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）材料通过3D打印技术制造。所使用的驱动模块是DRV8301，支持的最大工作电压为60V。所采用的MOSFET是
结论
总之，本研究提出了一种使用无摆板机构实现循环俯仰控制的新方法，通过无刷直流电机的循环速度调节来实现。所提出的方法基于详细的控制设计和基于FOC的闭环实现，能够在消除传统摆板相关机械复杂性的同时实现精确的推力矢量控制。实验结果验证了该方法实现准确速度调节和有效循环控制的能力
CRediT作者贡献声明
张明亮：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，验证，资源准备。郭庆：写作 – 审稿与编辑，项目管理。孙文：研究调查。周志杰：资金获取。马德孝：软件开发。
利益冲突声明
所有作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
