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基于單片機的微小型無人直升機姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計論文
[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(tǒng),完成了基于單片機技術(shù)的姿態(tài)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計,并且完成了檢測信號的模擬輸出和舵機控制的試驗。
[關(guān)鍵詞]微小型無人直升機 單片機 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控制系統(tǒng)可分為機載部分和地面部分,機載部分負(fù)責(zé)維持飛機的穩(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,前者與機載飛行控制器通訊以發(fā)送控制命令并獲得飛機的飛行狀態(tài)信息,后者獲取機載攝像頭的圖像并對圖像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(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)
微小型無人直升機姿態(tài)控制系統(tǒng)的主要功能是穩(wěn)定直升機的飛行姿態(tài),或者說是穩(wěn)定直升機的角運動。主要實現(xiàn)方式是在微小型直升機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的姿態(tài)信號,然后與要求控制的姿態(tài)信號進行比較,通過設(shè)計的反饋控制規(guī)律使輸出的控制信號控制微小型直升機穩(wěn)定在預(yù)期的姿態(tài)角度上。微小型直升機姿態(tài)測量控制系統(tǒng)包括傾角傳感器、控制電路、多個舵機、接收機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,然后舵機接收控制電路的PWM信號控制直升機的旋翼。傾角傳感器實時接收直升機的姿態(tài)信號,輸出到控制電路。
三、控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)
對于一般微小型無人直升機而言,其測控系統(tǒng)采用單片機作為控制單元是一種理想的選擇,因為其成本低,體積和重量小。本設(shè)計采用混合系統(tǒng)級MCU芯片——C8051F320型單片機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在姿態(tài)上的變化,并輸出PWM信號給單片機進行處理。由于飛行有3個姿態(tài)角,所以要用2片ADXL202。
單片機處于系統(tǒng)的主導(dǎo)地位,是實現(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來識別和處理。單片機將這些數(shù)據(jù)按照一定的控制算法運算后,將數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制信號輸出到舵機,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。由于單片機對電源有要求,為了保證其電源的穩(wěn)定性,我們還設(shè)計了電源穩(wěn)壓保護電路。
直升機的飛行姿態(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)系飛機飛行姿態(tài)的直接因素。ADXL202型加速器的測量信號和接收機發(fā)送的信號混合控制直升機的姿態(tài)�？刂齐娐穼⒓铀倨鞯臏y量信號和遙控器發(fā)送的信號進行比較,得到的控制信號來控制舵機的轉(zhuǎn)速。微小型直升機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)過單片機處理和接收機信號比較后輸出,采用單片機脈沖計數(shù)的方法,向舵機輸出PWM類型的控制指令,操縱舵機的變化,控制保持飛機的姿態(tài)。
在基于單片機的姿態(tài)測控系統(tǒng)中,選用舵機作為執(zhí)行器件,控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角和位移。在舵機控制中,一方面需要完成單片機的控制指令輸出,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,但是對舵機而言并無太大區(qū)別。控制信號對舵機的控制就是改變PWM信號的占空比,利用PWM信號占空比的變化改變舵機的位置。
四、軟件設(shè)計及調(diào)試
微小型無人直升機姿態(tài)控制系統(tǒng)的軟件包括C8051F單片機的初始化、各通道數(shù)據(jù)的獲得、控制算法的實現(xiàn)、輸出PWM信號給舵機。C8051F單片機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。控制算法是最關(guān)鍵的,首先根據(jù)遙控器輸入的第三個通道PWM數(shù)值進行切換,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,實現(xiàn)PWM功能。為了試驗設(shè)計出的印刷電路板是否能夠滿足輸出控制信號的要求,設(shè)計了試驗程序,來生成固定循環(huán)的能夠控制舵機按照要求的方向來轉(zhuǎn)動。設(shè)計的要求是舵機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。以此來檢驗以單片機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完全按照單片機的輸出控制命令進行轉(zhuǎn)動,方向和延遲都正確。
參考文獻:
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