图2 节点控制器位置分布图
2、操控策略
节点控制器根据其所在的节点位置按操控策略得到节点倾转旋翼系统各执行机构的操控量，即节点旋翼总距、纵向周期变距、横向周期变距、倾转旋翼系统倾转角度等操控变量，如表2 所示，4 组倾转旋翼系统旋翼操控量如表3 所示。过渡模式中的操纵权重系数依据倾转角三角函数计算分配得到。
节点控制器所采集到的相关状态量可通过CAN 总线发送给主控制器，供地面监控软件进行工况监测与数据记录。
表2 四倾转旋翼无人机操控策略
表3 旋翼操纵量与通道控制量关系
3、节点控制器
综合考虑倾转旋翼系统控制结构后，节点控制器应具备：
1） 计算处理和中断响应要快速；
2） 倾转旋翼系统多执行机构多通道控制输出；
3）与主控制器间数据传输实时通信。
据此功能要求，选用STM32F407VGT6
嵌入式处理器自研节点控制器。所选处理器主频为168 MHz，计算精度32 位，具有FPU
能力和丰富的外设资源，能够满足需求。自研的节点控制器实物图如图4 所示，含有PWM
输出模块、串口通信模块、输入输出引脚接口模块等，用于与外部设备相连。
图4 节点控制器功能示意图
三、CAN 总线通信模块
CAN 总线是一种以差分信号进行数据通信的串行数据总线。由位填充、报文格式检查以及硬件CRC 校验等方式确保总线信息传输正确，具有抗干扰强、实时性好、灵活性高、成本低等特点。节点控制器以CAN 总线方式接入系统网络，整机系统控制器拓扑结构如图5 所示。
图5 基于CAN 总线节点控制器拓扑结构
1、CAN 通信电平转换
CAN 总线协议收发信号为差分电平，处理器内嵌的CAN 控制器收发信号为TTL 电平，需设计电平转换电路。基于TJA1050 芯片的电平转换电路如图6 所示，节点控制器可直接与转换电路挂接在一起。
图6 CAN 总线电平转换电路
2、 CAN 通信机制
CAN 总线通信协议有标准帧和扩展帧两类。扩展帧标志符有29 位，即ID28～ID0，将此标志符位按数据基地址、收发节点号、读/写判断进行位分组，如表4 所示。
表4 CAN 扩展帧标识符位分组
数据基地址由ID7～ID0 组成，主控制器和节点控制器数据区地址编址相同，数据基地址指通信数据的首地址，数据域长度由数据帧控制域DLC 定义，扩展帧ID 中不包含数据长度信息。数据域数据为主控制器或者节点控制器数据区的一组连续变量。
接收节点号由ID15～ID8 组成，发送者节点号由ID23～ID16 组成，每帧通信数据需要指定接收者节点号和发送者节点号。主控制器节点号为0，节点控制器节点号分别为1、2、3、4。
读写判断标识由ID27～ID24 组成，读写操作相对于节点控制器，标识0000 表示写入数据，按数据基地址更新节点控制器相应数据变量；标识0001 表示读取数据，即节点控制器相应状态量数据读取回送给主控制器。
节点控制器接收一帧CAN 数据帧的处理流程如图7 所示，数据由主控制器发送，为按飞行模式计算得到的通道控制律数据，由节点控制器接收并执行。节点控制器发送的CAN 帧数据为工况及状态信息，由主控制器接收。
图7 CAN 数据帧接收处理流程图
倾转旋翼系统操纵控制
一、旋翼桨距控制
倾转旋翼系统变桨距控制结构与直升机相同。节点控制器收到主控器发来的通道控制量后，按操控策略分配处理得到旋翼的总距、纵横向周期变桨距，协同作用于自动倾斜器不动环下的3个舵机，使自动倾斜器十字斜盘产生左右、前后及上下运动，带动动环上的变距拉杆，致使旋翼桨距改变，旋翼气动力大小和方向发生变化，四倾转旋翼飞行器由此产生运动变化。
倾转旋翼系统自动倾斜器舵机布局为120°均布。以1 号节点倾转旋翼系统为例，0 号舵机在Y轴上，1 号、2 号舵机位于前后两侧。旋翼总距、纵横向周期变距与3 个执行舵机桨距当量值关系为
式中：δ0，δ1，δ2 为0～2 号舵机的桨距控制当量值；δc，δe，δa 为总距、纵向周期变距、横向周期变距。
舵机桨距当量值与PWM 脉宽控制量间关系由桨距标定得到，根据实验数据经线性拟合处理得到标定公式的斜率和截距参数。某一标定实验数据样例如图8 所示，对应标定结果参数如表5 所示。
图8 桨距标定实验数据
表5 桨距标定参数
二、旋翼转速控制
旋翼转速控制系统闭环控制结构方块图如图9 所示，其中r（t） 为给定目标转速，n（t）为实际转速，c（t）为测量转速，e（t）为转速误差量，带积分饱和的位置式离散PID 控制律控制，公式如式（2）所示。
图9 转速闭环控制结构
式中：N 为积分饱和极限值；T 为控制周期。
倾转旋翼系统节点控制器输出PWM 信号至电子调速器控制电机转速，旋翼测量转速作为负反馈信号实现转速闭环控制。旋翼转速测量信号取自电机输入信号激磁电压信号频率，由Hobbywing 转速传感器感应。经三极管导通截止得到激磁电压方波信号，由嵌入式处理器的外部中断机制捕获方波信号跳变沿，并记录跳变沿周期内的脉冲数，结合电机参数转换为旋翼电机转速，如式（3）所示。
