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1、毕业设计（论文）小型飞机尾翼控制器设计Controller design for small aircraft tail学生姓名所在院系所学专业所在班级指导教师教师职称完成时间： ： 机电学院 ： 机械设计制造及其自动化 ： 机制0641 ： ： 讲师 ： 2010年6月17日 长 春 工 程 学 院摘 要水平尾翼简称平尾，安装在机身后部，主要用于保持飞机在飞行中的稳定性和控制飞机的飞行姿态。尾翼的内部结构与机翼十分相似，通常都是由骨架和蒙皮构成，但它们的表面尺寸一般较小，厚度较薄，在构造形式上有一些特点。一般来说，水平尾翼由固定的水平安定面和可偏转的升降舵组成飞机的水平安定面就能够使飞机在俯
2、仰方向上（即飞机抬头或低头）具有静稳定性。水平安定面是水平尾翼中的固定翼面部分。当飞机水平飞行时，水平安定面不会对飞机产生额外的力矩；而当飞机受到扰动抬头时，此时作用在水平安定面上的气动力就会产生一个使飞机低头的力矩，使飞机恢复到水平飞行姿态。整个系统由操纵系统、信号检测系统、信号处理系统、步进电机控制系统、齿轮传动系统组成。操纵机构采用十字手柄，包括前后左右四个方向的运动，这样就能分别控制左右两片尾翼正负方向45度的转角，从而实现飞机起飞、降落、左转弯或右转弯时对水平尾翼的控制。MCS-51系列单片机主要有三种型号的产品8031、8051、8751。该系列产品是集中CPU I/O端口及部分R
3、AM等为一体的功能性很强的控制器，它的主要特点是集成度高可靠性好、运算速度快，另外，该系列产品只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强，编程灵活性大，硬件资料也很丰富，是较为理想的主选控制器芯片。关键词升降舵 飞行姿态 操纵 单片机 Abstract: Horizontal tail short horizontal tail, installed in the rear fuselage, used to keep the aircraft in flight stability and control aircraft in flight. T
4、ail of the internal structure is very similar to the wing, usually constituted by the skeleton and skin, but their surface size is generally small, thin, in the form of a number of structural features. In general, the horizontal tail from the fixed horizontal stabilizer and the elevator deflection c
5、an be composed of the horizontal stabilizer on the aircraft to the aircraft in the pitch direction (that is, rise or bow planes) with static stability. The horizontal stabilizer is the horizontal tail section in the fixed-wing plane. When the plane flying level, the horizontal stabilizer on the airc
6、raft would not generate additional torque; while the rise time when the aircraft is disturbed, then the role of the level of stability in the aerodynamic surface will produce a bow of the moment the aircraft, the aircraft recovery to level flight attitude. The system consists of control systems, sig
7、nal detection system, signal processing system, stepping motor control systems, gear transmission system component. Control mechanism with cross handle, including before and after the four directions of movement, so that each can control the direction of about plus or minus two rear corner 45 degree
8、s, enabling the aircraft to take off, landing, turn left or turn right on the horizontal tail control。MCS - 51 series microcontroller mainly have three types of products, the 8051, 8751 8031. This series of products are concentrated CPU I/O port and part of the RAM as a function of controller, its m
9、ain characteristic is the integration of high reliability, faster, and other products of this series, only a small increase in peripheral devices can form a complete microcomputer control system, and the development means is complete, the function is strong, programming instruction system, hardware
10、material also big agility is very rich, is the ideal advocate anthology controller chip.Keywords: Elevator Flight attitude Control MCS目 录1. 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 国内外的研究状况11.3 课题任务、研究的内容和要求21.3.1 系统总体方案的制定21.3.2 机械结构设计21.3.3 电气系统设计32. 系统总体方案32.1 操纵系统32.2 信号检测系统42.3 信号处理系统42.4 步进电机控制系统42.5 尾翼齿轮传动系统43.
11、 机械结构设计53.1 轴的设计53.2 齿轮计算73.2.1 选择齿轮材料和热处理、精度等级、齿轮齿数73.2.2 按齿跟弯曲疲劳强度设计73.3 轴承的选择和计算103.4 电机的选择114. 控制系统设计134.1 控制部分硬件设计134.2 主控制器的CPU的选择144.2.1 单片机的基本性能154.2.2 MCS-51系列单片机的引脚及功能154.2.3特殊功能寄存器174.3 存储器结构174.4 存储器扩展电路设计184.5 芯片介绍184.5.1 ADC0809184.5.2 8051芯片214.5.3 2764芯片224.6 地址锁存器74LS373234.7 MCS-51
12、单片机应用系统中的地址译码244.8 I/O口扩展电路设计244.9 传感器的选择264.10 其它辅助电路的设计274.10.1 单片机的时钟电路274.10.2 单片机的复位电路275. 系统控制软件的设计285.1 系统管理程序285.2 控制子程序285.3 测试子程序285.4 键盘操作和显示处理程序286. 总结28参考文献29致 谢301. 绪论1.1 课题研究的目的和意义机翼是飞机的重要部件之一，安装在机身上。其最主要作用是产生升力，同时也可以在机翼内布置弹药仓和油箱，在飞行中可以收藏起落架。另外，在机翼上还安装有改善起飞和着陆性能的襟翼和用于飞机横向操纵的副翼，有的还在机翼前
13、缘装有缝翼等增加升力的装置。 由于飞机是在空中飞行的，因此和一般的运输工具和机械相比，就有很大的不同。飞机的各个组成部分要求在能够满足结构强度和刚度的情况下尽可能轻，机翼自然也不例外，加之机翼是产生升力的主要部件，而且许多飞机的发动机也安装在机翼上或机翼下，因此所承受的载荷就更大，这就需要机翼有很好的结构强度以承受这巨大的载荷，同时也要有很大的刚度保证机翼在巨大载荷的作用下不会过分变形。机翼的基本受力构件包括纵向骨架、横向骨架、蒙皮和接头。其中接头的作用是将机翼上的载荷传递到机身上，而有些飞机整个就是一个大的飞翼，如B2隐形轰炸机则根本就没有接头。以下是典型的梁式机翼的结构。毕业设计首先应满足
14、教学与教育功能，培养和造就学生的创新能力和工程意识，通过毕业设计教学与教育功能的实现，促进学生科学的智能结构的形成；其次，毕业设计大多来源于实际，其成果可直接或间接地满足市场需求，为社会服务，实现毕业设计的社会功能.1.2 国内外的研究状况随着现代航空技术的进步，新的飞行动力理论的应用，飞机机身的外形也呈现千姿百态，变化多端，如隐身战斗机所使用的机翼和机身融为一体的翼身融合体；除去机身和尾翼的飞翼；除去机翼的升力体机身；以汽车作为机身的汽车飞机等等。 机翼的外形五花八门、多种多样，然而，不论采用什么样的形状，设计者都必须使飞机具有良好的气动外形，并且使结构重量尽可能的轻。所谓良好的气动外形，是
15、指升力大、阻力小、稳定操纵性好。以下是用来衡量机翼气动外形的主要几何参数。除此之外，机翼在安装时还可能带有上反角或者下反角。上反角是指机翼基准面和水平面的夹角，当机翼有扭转时，则是指扭转轴和水平面的夹角。当上反角为负时，就变成了下反角(Cathedral angle)。飞机机身的功用主要是装载人员、货物、燃油、武器、各种装备和其他物资，它还可用于连接机翼、尾翼、起落架和其他有关的构件，并把它们连接成为一个整体。按照机身的功用，首先在使用方面，应要求它具有尽可能大的空间，使它的单位体积利用率最高，以便能装载更多的人和物资，同时连接必须安全可靠。应有良好的通风加温和隔音设备；视界必须广调，以利于飞
16、机的起落。其次在气动方面，它的迎风面积应减小到最小，表面应光滑，形状应流线化而没有突角和缝隙，以便尽可能地减小阻力。另外，在保证有足够的强度、刚度和抗疲劳的能力情况下，应使它的重量最轻。对于具有气密座舱的机身，抗疲劳的能力尤为重要。飞机机身的型式一般有机身型、船身型和短舱型，机身型是陆上飞机的机体，水上飞机机体一般采用船身型，至于短舱型则是没有尾翼的机体，它包括双机身和双尾撑。纵向骨架 机翼的纵向骨架由翼梁、纵樯和桁条等组成，所谓纵向是指沿翼展方向，它们都是沿翼展方向布置的。 翼梁是最主要的纵向构件，它承受全部或大部分弯矩和剪力。翼梁一般由凸缘、腹板和支柱构成。凸缘通常由锻造铝合金或高强度合金
17、钢制成，腹板用硬铝合金板材制成，与上下凸缘用螺钉或铆钉相连接。凸缘和腹板组成工字型梁，承受由外载荷转化而成的弯矩和剪力。 纵樯与翼梁十分相像，二者的区别在于纵樯的凸缘很弱并且不与机身相连，其长度有时仅为翼展的一部分。纵樯通常布置在机翼的前后缘部分，与上下蒙皮相连，形成封闭盒段，承受扭矩。靠后缘的纵樯还可以悬挂襟翼和副翼。桁条是用铝合金挤压或板材弯制而成，铆接在蒙皮内表面，支持蒙皮以提高其承载能力，并共同将气动力分布载荷传给翼肋。横向骨架 机翼的横向骨架主要是指翼肋，而翼肋又包括普通翼肋和加强翼肋，横向是指垂直于翼展的方向，它们的安装方向一般都垂直于机翼前缘。 普通翼肋的作用是将纵向骨架和蒙皮连
18、成一体，把由蒙皮和桁条传来的空气动力载荷传递给翼梁，并保持翼剖面的形状。加强翼肋就是承受有集中载荷的翼肋。1.3 课题任务、研究的内容和要求本设计要研制出针对飞机尾翼动作的自动控制系统，包括手柄，执行机构和控制器。设计内容如下：1.3.1 系统总体方案的制定其中包括机械系统、驱动系统、信号机检测系统及其它部分设计的制定。1.3.2 机械结构设计其中包括操纵机构、尾翼齿轮传动系统等。1.3.3 电气系统设计其中包括单片机及扩展芯片系统设计。本设计实现对尾翼转角的控制，要求系统用步进电动机作为驱动执行元件，由单片机或可编程序控制器组成控制系统，尾翼运动过程中不能有冲击、振动现象，尾翼可稳定在任意位
19、置。尾翼倾角应能实时显示。尾翼倾角误差2主要技术参数主要技术参数是用来表示机器的主要技术特征，工作性能的数据，也作为设计的原始数据，是总体设计所必要的。主要技术参数如下： 最大转角：（左右尾翼） 运动形式：左右尾翼分开运动 驱动方式：步进电机 用单片机控制2. 系统总体方案整个系统由操纵系统、信号检测系统、信号处理系统、步进电机控制系统、齿轮传动系统组成。操纵机构采用十字手柄，包括前后左右四个方向的运动，这样就能分别控制左右两片尾翼正负方向45度的转角，从而实现飞机起飞、降落、左转弯或右转弯时对水平尾翼的控制。2.1 操纵系统十字操纵杆可以有四个运动方向，分别是前、后、左、右偏转。操纵杆的前后
20、运动能实现尾翼的下和上的偏转；操纵杆的左右运动能实现左右两尾翼的一上一下偏转。但飞机平稳飞行时，飞机机翼和尾翼保持空气动力和飞机重力的力矩平衡。假设飞行驾驶员向前推操纵杆，传感器接收到信号并将其传送给传动机构，传动机构控制飞机尾翼向下偏转，这样产生的附加空气动力和力矩打破了原来的平衡。正面气流自下吹向尾翼，产生了一个向上的附加力，这个力的作用点位于飞机中心后面，因而产生了一个使飞机机尾上升的力矩，正是这个例句使飞机实现低头，飞机向下降落。操纵杆后拉与前推控制飞机尾翼相似，能实现飞机抬头，飞机向上升起。飞机实现方向偏转是驾驶员通过左右推动操纵杆偏转来实现的。假设驾驶员向左摆动操纵杆，传感器接收到
21、操纵杆偏转角度和位移，并将其作为输入信号传递给步进伺服电机传动机构，实现左尾翼向上偏转，使迎角减小，因而左尾翼升力降低，右尾翼向下偏转，迎角增大，因而右尾翼升力增大。左右尾翼产生的压力差相对于飞机纵轴产生一个横滚力矩，这个力矩使飞机向左方向倾斜，实现飞机向左方向偏转。操纵杆向右摆动与向左摆动类似，实现飞机向右方向偏转。2.2 信号检测系统信号检测系统主要由角度测量仪等相关元器件组成，通过角度测量仪来测量,十字轴在转动时所对应轴的转角，并将此转角信号转化为电信号。电信号经过信号处理后，通过步进电机驱动电路来控制步进电机的运动，从而带动齿轮来控制水平尾翼。在水平尾翼的转动轴处安装角度测量仪来检测尾
22、翼的转角，将此信号返回并检测判断转角是否达到所要求的精度，当尾翼所转角不足或过大时，检测出相差的值，并根据这差值作出相应的动作来使转角达到要求。在此过程中还要不断检测水平尾翼的转角、判断、动作直到满足要求。2.3 信号处理系统该系统主要由单片机、地址锁存器、存储器、I/O口扩展芯片、步进电机驱动电路等组成。主要负责将信号检测系统检测到的信号经过处理并其输出给步进电机。2.4 步进电机控制系统功率放大器：功率放大器由前置放大和大功率驱动两部分组成，前者用于推动大功率器件而设置，一般由反相器、射极跟随器等构成；后者都为大功率器件，按电路主要划分为单电压电路、双电压电路、恒流斩波电路、调频调压电路、
23、细分电路等，是步进电机驱动电路中最重要的部分。脉冲频率的实现：每输出一个控制字就相当于发送一个步进脉冲，脉冲与脉冲之间应有时间间隔，即脉冲周期，它反映了步进电机的步进频率，即速度。实现脉冲周期的方法很简单，主要有两种：利用程序循环延时和利用定时器中断。前者占用计算机机时较严重，计算机验时阶段将不能处理其他事务，且延时不很精确，但实现简单，不占用计算机硬件资源，主要用与CPU较空闲的场合，后者可以精确定时，不占用CPU时间，但有时需要系统另行扩展定时器。2.5 尾翼齿轮传动系统 尾翼部分主要由步进电机提供动力，经过一级齿轮传动系统减速，带动尾翼轴旋转，从而控制整个尾翼的运动。图2.1 尾翼转动轴
24、的设计3. 机械结构设计 3.1 轴的设计飞机水平尾翼的可转动部分称为襟翼,小型飞机的襟翼相应较小,可以等效为一个长为300mm|宽为100mm的矩形。襟翼的转轴位于襟翼的边缘，如图所示：图3.1 襟翼示意图襟翼的转动范围是与水平面的夹角为45。小型飞机的飞行速度也比较低，最高飞行速度为500km/h，约为138.89m/s。天气条件较差（例如大风、雷雨天气等）时该类型的小型飞机就不飞行，所以飞行时的天气状况也比较好。现在以飞行的最高速度来计算，同时认为襟翼与空气相对速度的夹角为90，假设把空气示为粒子，空气粒子的速度为正，空气粒子在撞击襟翼之后的速度为零（实际上空气的速度仍然为正）。空气的密
25、度=1.29kg/。襟翼转轴主要受扭矩。现以冲量的计算方法来计算襟翼的受力，(转轴的材料为45钢取30MPa)面积s=0.1*0.3=0.03 v=500km/h138.89m/s Ft=mv F=mv/t=Vv/t=svv=1.29*0.03*138.89*138.89=746.54 N现假设力F作用于襟翼的离转轴最远的边缘距离为d=0.1m，则转矩 M=F*d=746.54*0.1=74.654 N*m根据扭转强度条件设计轴的直径d由强度条件可知 则 故轴安装最小轴承处的轴径为25mm.。同样襟翼之前的传动轴的最小轴径为25mm，当传动比大于1时可更小。本次设计是按传动为1来设计传动轴的，
26、所以传动轴的最小轴径为25mm。3.2 齿轮计算3.2.1 选择齿轮材料和热处理、精度等级、齿轮齿数考虑到传递功率较小，要求结构紧凑，使用寿命长，由齿轮常用材料及其机械性能表，选大、小齿轮材料用40MnB，表面淬火，齿面硬度4855HRC。飞机尾翼齿轮传动，对载荷分布均匀性要求高些，故选齿轮精度为887。选小齿轮齿数=20，=i=603.2.2 按齿跟弯曲疲劳强度设计闭式硬齿面齿轮传动，承载能力一般取决于弯曲强度，故先按弯曲强度设计，演算接触强度。 由式 确定式中各项数值：因载荷平稳，由使用系数K表，查K=1，故初选载荷系数K=2；所选用的电机转矩=9.7Nm=970Nmm由式，计算端面重合度
27、=1.68由式=0.7由齿宽系数表，选取=0.7由外齿轮的齿形系数图和外齿轮的应力修正系数图查得=2.8 =1.56=2.32 =1.7由式=8.63查表得 Y=0.88，Y=0.89选 S= 1.60按齿面硬度均值51HRC,查表得 =450MPa =248MPa同理， =250 MPa =0.0176同理，=0.0161所以，取前者设计齿轮。设计齿轮模数：将确定后的各项数值代入设计公式，求得： = =1.31mm修正： =0.82m/s查表得 则: K=KKKK =1.32m=m=1.31mm考虑到磨损，选用m=2mm的标准模数确定齿轮几何参数d=m Z=220=40mmd=m Z=260
28、=120mma=80mmb=400.7=28mm 取=35，=30校核齿面接触疲劳强度 由弹性系数表查得Z=189.8由节点区域系数图查得由接触强度重合度系数表查得 由接触强度的寿命系数图查得=0.92由渗碳淬火钢和表面碳化（火焰或感应淬火）的图，按齿面硬度均值51HRc，在MQ和ML线之间查出 =由最小安全系数参考值表查得 .25 =746 =780取前者作为强度条件。将确定出的各项数值代入接触强度校核公式，得 =350 M Pa所以满足齿面接触疲劳强度。3.3 轴承的选择和计算根据条件，轴承预计寿命Lh=1030016=48000h 由初选的轴承的型号为: 6206, 查表可知:d=30m
29、m,外径D=62mm,宽度B=16mm,基本额定动载荷C=31.5KN, 基本静载荷CO=20.5KN, 已知nii=121.67(r/min)两轴承径向反力：FR1=FR2=1083N根据课本得轴承内部轴向力FS=0.63FR 则FS1=FS2=0.63FR1=0.63x1083=682NFS1+Fa=FS2 Fa=0故任意取一端为压紧端，现取1端为压紧端FA1=FS1=682N FA2=FS2=682N求系数x、yFA1/FR1=682N/1038N =0.63FA2/FR2=682N/1038N =0.63根据课本P265表（14-14）得e=0.68FA1/FR1e x1=1 FA2/
30、FR248000h 预期寿命足够上端采用6204深沟球轴承,另一个端采用6206轴承，轴承的使用寿命，主要取决于作用在车轮上的垂直力（即所分担的总重力）和轴承相对于中心平面的位置。轮毂轴承按额定动负荷方法选择。轴承选用6206深沟球轴承，另一个选6024深沟球轴承。3.4 电机的选择步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。根据飞机上的电机的特殊工作环
31、境，要求有较高的精度。参考技术要求，步进角为1.8.选择80hHBPL型系列行星减速步进电机步进电机作为执行元件的显著优点如下：1、步进电机可以直接接受数字量信号，控制较为方便；2、步进电机具有快速起、停能力，可在一刹那实现启动或停止，定位准确；3、步进电机精度高，步距角可由每步90降低到0.36。常用步进电机有三相、四相、五相、六相四种。系统机控制步进电机，主要任务是把二进制数变为脉冲序列，按相序输入脉冲以实现电机转动方向的控制。每输入一个脉冲电机沿选择方向前进一步，每前进一步电机转动一个固定角度。从这个意义讲，电机也是一个数字/角度传感器。图3.2所示为步进电机控制示意图。它把电脉冲信号变
32、换成角位移或直线位移，其角位移量或直线位移量s与电脉冲数成正比，其转速n或线速度v与脉冲频率f成正比。由步进电动机的控制特性分析可见，在额定负载范围内，角位移量或直线位移量s、转速n或线速度v不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化，因而很适合在开环系统中作执行元件，使控制系统成本下降。当用微电脑进行数字控制时，它不需要进行D/A转换，能直接把数字脉冲信号转换为角位移，力求定子各绕组间没有互感，定、转子都采用凸极结构，不考虑空间磁场谐波的有害影响，尽一切可能去增加定位转矩的幅值和定位精度，把转速控制和调节放在次要地位。目前，步进电动机的功率做的越来越大，已经生产出功率步进电动机，它可以不通
33、过传动齿轮等力矩放大装置，直接由功率步进电动机来带动机床运动，从而简化结构，提高系统精度。光电隔离电路在电动机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制电动机的励磁绕组，由于电动机需要的驱动电压较高，电流也比较大，如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电气干扰。轻则影响计算机程序的正常运行，重则导致计算机和接口电路的损坏。所以一般在接口电路功率放大器之间都要加上隔离电路，通常使用的是光电耦合器。光电耦合器由发光器件和受光器件组成，连接发光源的引线作为输入端，连接受光件的引线为输出端。通常发光器件为发光二极管，受光器件为光敏三极管。当输入信号加到输入端时，发光二极管导通发出红外光，受光
34、三极管受光照射后，由于光敏效应产生光电流，通过输出端输出，从而实现了以光为媒介的电信号传输。输入端与输出端完全隔离。图3.2 步进电机控制示意图图3.3 步进电机单电压驱动电路4. 控制系统设计整个系统由操纵系统、信号检测系统、信号处理系统、步进电机控制系统、齿轮传动系统组成。角度传感器信号处 理功率放大器步进电机齿轮传动系统水平尾翼十字轴操作系统图4.1 系统组成4.1 控制部分硬件设计构成微机控制部分的硬件电路概括起来由以下四个部分组成：1、主控制器即中央处理单元CPU，采用系列的单片机2、总线包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）3、存储器包括可编成存储器EPROM和随机读写数据存储器RAM4、I/O接口电路及伺服电机电路、检测电路等外围接口电路。其中CPU是整个电路的核心，其控制其它各部分协调工作的“大脑”，存储器则用于存放系统
