[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,體積和重量小。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。