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基于單片機(jī)的微小型無人直升機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)論文
[摘要]本文主要介紹了一款微小型無人直升機(jī)的整體控制系統(tǒng),完成了基于單片機(jī)技術(shù)的姿態(tài)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),并且完成了檢測信號的模擬輸出和舵機(jī)控制的試驗(yàn)。
[關(guān)鍵詞]微小型無人直升機(jī) 單片機(jī) 姿態(tài)控制系統(tǒng)
一、控制系統(tǒng)總體方案
整個微小型無人直升機(jī)控制系統(tǒng)可分為機(jī)載部分和地面部分,機(jī)載部分負(fù)責(zé)維持飛機(jī)的穩(wěn)定飛行并提供圖像信息給地面,地面部分根據(jù)飛機(jī)的姿態(tài)及得到的圖像信息做出下一步飛行的指令并發(fā)給機(jī)載部分。考慮到使用環(huán)境的復(fù)雜情況,由人使用遙控器現(xiàn)場操作可以較好控制飛行,并可對飛行中出現(xiàn)的各種情況及時處理,確保飛行的安全。地面部分與機(jī)載部分之間有兩條數(shù)據(jù)鏈路:一條負(fù)責(zé)傳送圖像,一條負(fù)責(zé)傳送飛行狀態(tài)和指令。圖像傳送的數(shù)據(jù)鏈路通過無線攝像頭解決。地面部分可以分為地面工作站和圖像處理平臺,前者與機(jī)載飛行控制器通訊以發(fā)送控制命令并獲得飛機(jī)的飛行狀態(tài)信息,后者獲取機(jī)載攝像頭的圖像并對圖像進(jìn)行處理用以輔助判斷,幫助操作者進(jìn)行遙控操作。機(jī)載部分系統(tǒng)包括:飛行姿態(tài)測量控制系統(tǒng)模塊、圖像設(shè)備模塊、數(shù)據(jù)鏈路以及執(zhí)行舵機(jī)群等。地面部分包括控制器、工作站、和圖像處理平臺。
二、姿態(tài)控制系統(tǒng)
微小型無人直升機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)的主要功能是穩(wěn)定直升機(jī)的飛行姿態(tài),或者說是穩(wěn)定直升機(jī)的角運(yùn)動。主要實(shí)現(xiàn)方式是在微小型直升機(jī)的控制回路上加上一個用于姿態(tài)測量的反饋回路,通過傳感器得到微小型直升機(jī)的姿態(tài)信號,然后與要求控制的姿態(tài)信號進(jìn)行比較,通過設(shè)計(jì)的反饋控制規(guī)律使輸出的控制信號控制微小型直升機(jī)穩(wěn)定在預(yù)期的姿態(tài)角度上。微小型直升機(jī)姿態(tài)測量控制系統(tǒng)包括傾角傳感器、控制電路、多個舵機(jī)、接收機(jī)及遙控接收器等硬件部分。
其中控制電路的功能是接收接收機(jī)的操控信號和傾角傳感器的輸出信號,可以直接輸出接收機(jī)的信號或者切換到輸出遙控信號與傳感器反饋信號疊加處理的結(jié)果,然后舵機(jī)接收控制電路的PWM信號控制直升機(jī)的旋翼。傾角傳感器實(shí)時接收直升機(jī)的姿態(tài)信號,輸出到控制電路。
三、控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)
對于一般微小型無人直升機(jī)而言,其測控系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制單元是一種理想的選擇,因?yàn)槠涑杀镜?體積和重量小。本設(shè)計(jì)采用混合系統(tǒng)級MCU芯片——C8051F320型單片機(jī)作為控制中心的姿態(tài)控制系統(tǒng),選用的傳感器是雙軸的加速度傳感器ADXL202,它可在兩個方向上檢測無人機(jī)在姿態(tài)上的變化,并輸出PWM信號給單片機(jī)進(jìn)行處理。由于飛行有3個姿態(tài)角,所以要用2片ADXL202。
單片機(jī)處于系統(tǒng)的主導(dǎo)地位,是實(shí)現(xiàn)控制算法、完成信號采集和信號轉(zhuǎn)化的核心器件。所有的傳感器信號和遙控指令都由單片機(jī)來識別和處理。單片機(jī)將這些數(shù)據(jù)按照一定的控制算法運(yùn)算后,將數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制信號輸出到舵機(jī),或者利用數(shù)據(jù)傳輸模塊,傳回到地面接收裝置,從而完成對飛行器的航向的測控。由于單片機(jī)對電源有要求,為了保證其電源的穩(wěn)定性,我們還設(shè)計(jì)了電源穩(wěn)壓保護(hù)電路。
直升機(jī)的飛行姿態(tài)有相互關(guān)聯(lián)的3對方向(航向,橫滾和俯仰),每對方向都是關(guān)系飛機(jī)飛行姿態(tài)的直接因素。ADXL202型加速器的測量信號和接收機(jī)發(fā)送的信號混合控制直升機(jī)的姿態(tài)�？刂齐娐穼⒓铀倨鞯臏y量信號和遙控器發(fā)送的信號進(jìn)行比較,得到的控制信號來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)速。微小型直升機(jī)在飛行過程中若受到外力的干擾產(chǎn)生方向的偏差,由加速器測量輸出PWM信號發(fā)送給控制電路,經(jīng)過單片機(jī)處理和接收機(jī)信號比較后輸出,采用單片機(jī)脈沖計(jì)數(shù)的方法,向舵機(jī)輸出PWM類型的控制指令,操縱舵機(jī)的變化,控制保持飛機(jī)的姿態(tài)。
在基于單片機(jī)的姿態(tài)測控系統(tǒng)中,選用舵機(jī)作為執(zhí)行器件,控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角和位移。在舵機(jī)控制中,一方面需要完成單片機(jī)的控制指令輸出,從而控制航向變化和航向保持,另一方面需要參考原始的控制指令和加速度的反饋信號完成姿態(tài)控制的算法。盡管這兩者來源不同,但是對舵機(jī)而言并無太大區(qū)別。控制信號對舵機(jī)的控制就是改變PWM信號的占空比,利用PWM信號占空比的變化改變舵機(jī)的位置。
四、軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試
微小型無人直升機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)的軟件包括C8051F單片機(jī)的初始化、各通道數(shù)據(jù)的獲得、控制算法的實(shí)現(xiàn)、輸出PWM信號給舵機(jī)。C8051F單片機(jī)的初始化包括端口管腳的配置、定時器的初始化、PCA初始化。C8051要接收5個通道的PWM信號,即遙控器的三通道PWM信號,ADXL202的2個通道的PWM信號�？刂扑惴ㄊ亲铌P(guān)鍵的,首先根據(jù)遙控器輸入的第三個通道PWM數(shù)值進(jìn)行切換,比如接收到的第三個通過的PWM數(shù)值小于150(1.5ms)就切換到輸出信號不受ADXL202影響的狀態(tài),即輸出信號是遙控器的輸入信號,中間不經(jīng)過處理;如果數(shù)值大于150(1.5ms)就切換到輸出信號是遙控器的輸入信號和ADXL202的信號反饋到遙控器的輸入信號,如果ADXL202測得有加速度證明航向角度偏離了預(yù)期的角度,就要通過修正輸出信號保證旋翼保持在預(yù)期的轉(zhuǎn)速。
PWM模塊有C8051的PCA模塊配置為高速輸出方式,當(dāng)PCA0H的值與該模塊的寄存器PCA0CPLn和PCA0CPHn中的常數(shù)值相等時,CEXn引腳上的邏輯電平發(fā)生一次跳變,同時觸發(fā)一次中斷,實(shí)現(xiàn)PWM功能。為了試驗(yàn)設(shè)計(jì)出的印刷電路板是否能夠滿足輸出控制信號的要求,設(shè)計(jì)了試驗(yàn)程序,來生成固定循環(huán)的能夠控制舵機(jī)按照要求的方向來轉(zhuǎn)動。設(shè)計(jì)的要求是舵機(jī)能夠向左以固定頻率轉(zhuǎn)動,然后轉(zhuǎn)回平衡位置,以此來循環(huán)轉(zhuǎn)動。以此來檢驗(yàn)以單片機(jī)為核心的控制電路是否能夠產(chǎn)生控制信號并且驅(qū)動舵機(jī)來按要求轉(zhuǎn)動。
經(jīng)過調(diào)試,用數(shù)字式示波器證明舵機(jī)完全按照單片機(jī)的輸出控制命令進(jìn)行轉(zhuǎn)動,方向和延遲都正確。
參考文獻(xiàn):
[1]求是科技.單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)航[M].北京:人民郵電出版社 ,2004.
[2](美)Paul G.Fahlstrom,Thomas J.Gleason.無人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.
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