倾转旋翼无人飞行器多旋翼化发展趋势明显，倾转旋翼系统设计模块化有助于集成组装、减少设计重复性。本文以四倾转旋翼无人飞行器为目标，应用模块化设计方法进行倾转旋翼系统设计。首先，设计倾转旋翼系统的模块化机械结构、控制结构和通信结构，应用CAN 总线通信机制，将倾转旋翼系统作为节点接入整机分布式控制系统；然后，开展倾转旋翼系统内部桨距控制、旋翼转速控制以及旋翼倾转控制的研究；最后，搭建倾转旋翼系统测试平台，验证倾转旋翼系统模块化各组成部分设计的正确性以及模块化设计方法的可行性。结果表明：旋翼转速波动误差小于2.6%，且可在7 s 内实现直升机模式到固定翼模式的平缓匀速过渡，系统数据通信实时性良好，满足倾转旋翼系统应用需求。
引言
倾转旋翼无人飞行器兼具旋翼飞行器和固定翼飞行器的特点，既拥有垂直起降的优势，又可以在一定程度上弥补旋翼类飞行器速度不足的缺点，已成为无人飞行器领域的研究热点。研究倾转旋翼飞行器最早的是美国贝尔公司，于1993年成功研制了TR918 鹰眼无人机，属于二倾转旋翼无人飞行器，最大飞行速度可达360 km/h；以色列于2010 年研制了一款三倾转旋翼无人机“黑豹”，由前侧2 个、尾部1 个电动倾转旋翼构成倒三角布局的三倾转旋翼无人飞行器；国内航空工业直升机设计研究所于2013 年提出了一款四倾转旋翼无人飞行器“蓝鲸”。纵观国内外倾转旋翼无人飞行器的研究，为了提高承载能力和性能，多旋翼化已成为倾转旋翼无人飞行器的发展趋势。
倾转旋翼无人飞行器的倾转旋翼系统在其控制结构上几乎一致，只是安装位置的不同使机械安装接口存在略微差异。倾转旋翼无人飞行器多旋翼化发展驱使倾转旋翼系统设计引入模块化设计理念，模块化设计可使在倾转旋翼系统机械设计、硬件设计、软件设计上减少设计工作重复性。模块化设计思想在国内外航空领域已有应用先例。罗利龙等以模块化可重构无人机机翼为研究对象，开展针对多模型的同步优化方法研究；李春鹏等针对多用途无人机开展了模块化气动布局设计，将主要气动部件分为公用、专用和通用三类模块，选择合适的模块组合方案实现多用途无人机综合气动性能最优；J.P.David 等［针对可重构无人机，系统地分析了模块化部件与无人机综合性能之间的影响关系，采用多级优化方法完成了模块化无人机的优化设计；J.C.Stephen 等提出了一种模块化的垂直起降无人机，可由多种倾转旋翼无人机通过磁耦合的方式进行组建，增加了机翼展弦比，提高了飞行性能。当前无人机模块化设计思想主要应用于气动布局、机械结构方面的优化设计研究，在倾转旋翼无人机上的应用还比较少，且模块化系统内部的控制结构以及模块化系统与外界的通信交互方面的研究也较少。
本文以四倾转旋翼无人飞行器为研究对象，采用模块化设计方法，对倾转旋翼系统从机械结构、控制结构和通信结构方面进行模块化设计；将倾转旋翼系统作为四倾转旋翼无人飞行器的一个节点系统进行节点控制器设计，应用CAN 总线通信机制使其成为整机分布式飞行控制系统的一个子系统；构建倾转旋翼系统模块化部件测试验证系统，开展倾转旋翼系统模块化部件设计测试和验证。
结构模块化设计方法
一、机械结构模块
四倾转旋翼无人飞行器的基本构件是4
套倾转旋翼系统，作为动力部件承载着直升机模式、固定翼模式和过渡模式三种飞行模式的切换与功能实现。倾转旋翼系统三维设计结构图如图1
所示，机械部分由旋翼系统和倾转机构组成。旋翼系统为传统的三桨旋翼系统，由3 个变距舵机和1
个旋翼转速电机进行操控，经由自动倾斜器实现旋翼总距和纵、横向周期变距改变，可使旋翼气动力大小和方向发生变化，旋翼系统所用桨叶参数如表1所示。倾转机构由涡轮蜗杆、伺服电机及其驱动器构成，可改变倾转旋翼系统的整体气动力方向。四倾转旋翼无人飞行器由4
组相同部件构成，飞行器通道控制律经操控策略分配作用于倾转旋翼系统部件的操纵机构，使飞行器产生左右、前后及上下运动变化。
图1 倾转旋翼系统结构图
表1 旋翼参数
二、控制结构模块
1、分布式控制系统
四倾转旋翼无人飞行器除了配备4 组倾转旋翼系统外，还有垂尾和襟副翼等执行机构，整机执行机构共有25 个，用单一控制器设计整机飞行控制系统，连接执行机构的操控信号走线庞杂，会带来安全隐患。嵌入式飞控计算机主频在100～200 MHz，单一控制器运算量大，难以兼顾多传感器数据采集、融合与通信、控制律计算、控制信号输出等。
综合考虑各因素，四倾转旋翼飞行器整机飞行控制系统设计为分布式结构。4
组倾转旋翼系统各自拥有一套节点控制器，各节点操控策略依据飞行模式和所处的节点位置自行决策，控制旋翼系统相关执行机构。四倾转旋翼无人飞行器共设计有1
个主控制器和4
个节点控制器，主控制器负责飞行状态采集、地面站数据交互、通道控制律计算等任务。节点控制器与主控制器通过CAN总线相连，整机系统控制器位置结构布局如图2
所示。4 组倾转旋翼系统按顺时针顺序定义为节点1、节点2、节点3 和节点4，各配置1 个节点控制器，实现倾转旋翼系统模块化设计。
