摘要：本文主要介紹了一款微小型無人直升機的整體控制系統,完成了基於微控制器技術的姿態控制系統的硬體設計,並且完成了檢測訊號的模擬輸出和舵機控制的試驗。
關鍵詞：微小型,無人直升機,微控制器,姿態控制系統
一、控制系統總體方案
整個微小型無人直升機控制系統可分為機載部分和地面部分,機載部分負責維持飛機的穩定飛行並提供影象資訊給地面,地面部分根據飛機的姿態及得到的影象資訊做出下一步飛行的指令併發給機載部分。考慮到使用環境的複雜情況,由人使用遙控器現場操作可以較好控制飛行,並可對飛行中出現的各種情況及時處理, 確保飛行的安全。地面部分與機載部分之間有兩條資料鏈路:一條負責傳送影象,一條負責傳送飛行狀態和指令。影象傳送的資料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影象處理平臺,前者與機載飛行控制器通訊以傳送控制命令並獲得飛機的飛行狀態資訊,後者獲取機載攝像頭的影象並對影象進行處理用以輔助判斷,幫助操作者進行遙控操作。機載部分系統包括:飛行姿態測量控制系統模組、影象裝置模組、資料鏈路以及執行舵機群等。地面部分包括控制器、工作站、和影象處理平臺。
二、姿態控制系統
微小型無人直升機姿態控制系統的主要功能是穩定直升機的飛行姿態,或者說是穩定直升機的角運動。主要實現方式是在微小型直升機的控制迴路上加上一個用於姿態測量的反饋迴路,通過感測器得到微小型直升機的姿態訊號,然後與要求控制的姿態訊號進行比較,通過設計的反饋控制規律使輸出的控制訊號控制微小型直升機穩定在預期的姿態角度上。微小型直升機姿態測量控制系統包括傾角感測器、控制電路、多個舵機、接收機及遙控接收器等硬體部分。
其中控制電路的功能是接收接收機的操控訊號和傾角感測器的輸出訊號,可以直接輸出接收機的訊號或者切換到輸出遙控訊號與感測器反饋訊號疊加處理的結果,然後舵機接收控制電路的PWM訊號控制直升機的旋翼。傾角感測器實時接收直升機的姿態訊號,輸出到控制電路。
三、控制系統的硬體實現
對於一般微小型無人直升機而言,其測控系統採用微控制器作為控制單元是一種理想的選擇,因為其成本低,體積和重量校本設計採用混合系統級MCU晶片 ——C8051F320型微控制器作為控制中心的姿態控制系統,選用的感測器是雙軸的加速度感測器ADXL202,它可在兩個方向上檢測無人機在姿態上的變化,並輸出PWM訊號給微控制器進行處理。由於飛行有3個姿態角,所以要用2片ADXL202。
微控制器處於系統的主導地位,是實現控制演算法、完成訊號採集和訊號轉化的核心器件。所有的感測器訊號和遙控指令都由微控制器來識別和處理。微控制器將這些資料按照一定的控制演算法運算後,將資料結果轉化為控制訊號輸出到舵機,或者利用資料傳輸模組,傳回到地面接收裝置,從而完成對飛行器的航向的測控。由於微控制器對電源有要求,為了保證其電源的穩定性,我們還設計了電源穩壓保護電路。
直升機的飛行姿態有相互關聯的3對方向(航向,橫滾和俯仰),每對方向都是關係飛機飛行姿態的直接因素。ADXL202型加速器的測量訊號和接收機發送的訊號混合控制直升機的姿態。控制電路將加速器的測量訊號和遙控器傳送的訊號進行比較,得到的控制訊號來控制舵機的轉速。微小型直升機在飛行過程中若受到外力的干擾產生方向的偏差,由加速器測量輸出PWM訊號傳送給控制電路,經過微控制器處理和接收機訊號比較後輸出,採用微控制器脈衝計數的方法,向舵機輸出PWM型別的控制指令,操縱舵機的變化,控制保持飛機的姿態。
在基於微控制器的姿態測控系統中,選用舵機作為執行器件,控制執行結構的轉角和位移。在舵機控制中,一方面需要完成微控制器的控制指令輸出,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訊號完成姿態控制的演算法。儘管這兩者來源不同,但是對舵機而言並無太大區別。控制訊號對舵機的控制就是改變PWM訊號的佔空比,利用PWM訊號佔空比的變化改變舵機的位置。
四、軟體設計及除錯
微小型無人直升機姿態控制系統的軟體包括C8051F微控制器的'初始化、各通道資料的獲得、控制演算法的實現、輸出PWM訊號給舵機。C8051F微控制器的初始化包括埠管腳的配置、定時器的初始化、PCA初始化。C8051要接收5個通道的PWM訊號,即遙控器的三通道PWM訊號,ADXL202的2 個通道的PWM訊號。控制演算法是最關鍵的,首先根據遙控器輸入的第三個通道PWM數值進行切換,比如接收到的第三個通過的PWM數值小於 150(1.5ms)就切換到輸出訊號不受ADXL202影響的狀態,即輸出訊號是遙控器的輸入訊號,中間不經過處理;如果數值大於150(1.5ms) 就切換到輸出訊號是遙控器的輸入訊號和ADXL202的訊號反饋到遙控器的輸入訊號,如果ADXL202測得有加速度證明航向角度偏離了預期的角度,就要通過修正輸出訊號保證旋翼保持在預期的轉速。
PWM模組有C8051的PCA模組配置為高速輸出方式,當PCA0H的值與該模組的暫存器PCA0CPLn和PCA0CPHn中的常數值相等時,CEXn引腳上的邏輯電平發生一次跳變,同時觸發一次中斷,實現PWM功能。為了試驗設計出的印刷電路板是否能夠滿足輸出控制訊號的要求,設計了試驗程式,來生成固定迴圈的能夠控制舵機按照要求的方向來轉動。設計的要求是舵機能夠向左以固定頻率轉動,然後轉回平衡位置,以此來迴圈轉動。以此來檢驗以微控制器為核心的控制電路是否能夠產生控制訊號並且驅動舵機來按要求轉動。
經過除錯,用數字式示波器證明舵機完全按照微控制器的輸出控制命令進行轉動,方向和延遲都正確。