錢海燕

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722001

摘要：設(shè)計了一種低成本、具備一定自主飛行能力的無人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)，針對主要模塊進(jìn)行功能設(shè)計，使該控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率最大化。

關(guān)鍵詞：自動控制無人直升機(jī)傳感器

無人直升機(jī)航模種類繁多，其結(jié)構(gòu)基本是仿照真直升機(jī)設(shè)計，無需特制的發(fā)射、回收裝置即可實(shí)現(xiàn)正常的起飛和降落，便于進(jìn)行飛行測試以及在復(fù)雜飛行條件下執(zhí)行任務(wù)。常見的航模直升機(jī)，其主要部件包括機(jī)架、尾桿、起落架、頭罩、主旋翼頭、副翼、發(fā)動機(jī)、主槳、尾槳、平尾、垂尾等，再加上遙控器、接收器、舵機(jī)和陀螺儀等各種電子控制設(shè)備，一架航模直升機(jī)就完成了。

飛行控制系統(tǒng)是整個無人直升機(jī)的核心，是典型的多變量、強(qiáng)耦合自動控制系統(tǒng)。主處理器通過多路舵機(jī)控制著直升機(jī)的飛行狀態(tài)，同時各種位置、姿態(tài)、高度、航向等傳感器將當(dāng)前的飛行狀態(tài)反饋給主處理器，主處理器再依據(jù)反饋的信息調(diào)整控制信號，控制其自主飛行。

1 十字盤的選擇

對于直升機(jī)而言，旋翼是為其提供力和力矩的主要部件，可分為主旋翼和尾旋翼。其中尾旋翼結(jié)構(gòu)相對簡單，通過改變其總力矩來控制直升機(jī)的偏航運(yùn)動。而主旋翼結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，除了可以通過改變總螺距來改變升力外，還可通過改變十字盤的傾角來改變周期螺距，從而產(chǎn)生滾轉(zhuǎn)和俯仰力矩。

十字盤是直升機(jī)上最關(guān)鍵的操縱機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的十字盤是由單獨(dú)的馬達(dá)控制單獨(dú)的通道，結(jié)構(gòu)簡單，一個舵機(jī)控制多個動作，其缺點(diǎn)則是每一個控制通道的力矩只能由一個伺服承受，這也提高了對伺服器扭矩方面的要求。而CCPM（即差分螺距混合控制）十字盤的三個制動點(diǎn)以 120° 夾角分布于十字盤上，以舵機(jī)直接驅(qū)動十字盤，借助遙控器計算機(jī)進(jìn)行混控，來完成十字盤前后、左右轉(zhuǎn)動，以及升降的動作。主旋翼總螺距（十字盤的升降）是所有舵面控制中負(fù)載最大的，由三個舵機(jī)一起等量動作才可以完成，制動力量是傳統(tǒng)十字盤的三倍；同樣的升降舵（十字盤前后翻動）也要動用三個舵機(jī)，也得到了三倍的制動力量；副翼舵（十字盤左右翻動）由兩個舵機(jī)一同動作完成，副翼舵也有兩倍的制動力量。從分析看出，使用CCPM十字盤可以大大降低舵機(jī)的負(fù)擔(dān)、提升控制精準(zhǔn)度，所以本設(shè)計中選擇CCPM十字盤。

2 舵機(jī)的構(gòu)造

450級電動直升機(jī)上的機(jī)電設(shè)備主要有兩種——舵機(jī)和電子調(diào)速器，其中舵機(jī)主要用于控制旋翼的螺距，而電子調(diào)速器用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這兩者雖然功能不同，但控制信號是一樣的，所以對于飛行控制系統(tǒng)而言，可以將電子調(diào)速器視為舵機(jī)。為了達(dá)到轉(zhuǎn)速快、耗電小的目標(biāo)，舵機(jī)中使用的是空心杯電機(jī)。與一般的伺服電機(jī)相比，空心杯電機(jī)的轉(zhuǎn)子質(zhì)量非常小，在改變轉(zhuǎn)向時所需的電流也比較小，速度要快很多。

舵機(jī)的工作原理是由接收機(jī)發(fā)出PWM（脈寬調(diào)制）信號給舵機(jī)，控制電路判斷脈沖的寬度，再驅(qū)動空心杯電機(jī)轉(zhuǎn)動，利用減速齒輪吧動力傳到擺臀中去，并且位置檢測器需要把信號送回來，通過信號來判斷是不是到達(dá)了預(yù)定的位置。以燃油為動力無人直升機(jī)一般裝備5個舵機(jī)，4個普通舵機(jī)分別控制油門、副翼、升降舵、螺距，1個高速舵機(jī)控制尾舵。舵機(jī)一般采用PWM信號進(jìn)行控制，其頻率為5060Hz，脈沖寬度以1.5ms為中心，調(diào)節(jié)范圍為，相對應(yīng)舵盤的位置為，呈線性變化。

3 A/D轉(zhuǎn)換器

STC12C5A60S2系列帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)250KHz。其結(jié)構(gòu)由多路選擇開關(guān)、比較器、逐次比較寄存器、10位DAC、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器以及ADC_CONTR構(gòu)成。逐次比較型ADC由一個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯，從最高位開始，順序地對每一輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對應(yīng)值。通過模擬多路開關(guān)，將通過ADC0～7的模擬量輸入比較器。用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的模擬量與本次輸入的模擬量通過比較器進(jìn)行比較，把獲得的比較結(jié)果保存到逐次比較器中去，利用其進(jìn)行轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，需要將最后轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器，同時置位ADC控制寄存器中的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位ADC_FLAG，從而給程序的查詢以及中斷申請的發(fā)出提供方便。

4 慣性測量單元（IMU）模塊的結(jié)構(gòu)

直升機(jī)的角速度、加速度等與姿態(tài)有關(guān)的信息的采集是實(shí)現(xiàn)自主飛行的必要前提，它們需要用慣性測量單元測量得到。慣性測量單元一般由三軸加速度計和三軸陀螺儀組成，三軸加速度計用來測量三個方向的線加速度，陀螺儀用來測量三個方向的角速度。

以往陀螺儀利用的是角動量守恒原理，在支架旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化的時候，轉(zhuǎn)軸指向并不會發(fā)生改變。在這次設(shè)計中，選擇的是微機(jī)械陀螺儀，利用的則是科里奧利力，也就是旋轉(zhuǎn)物體在進(jìn)行有徑向運(yùn)動時受到的切向力來開展工作。受到驅(qū)動，物體會不停的震蕩或者進(jìn)行徑向運(yùn)動，那么科里奧利力也會不斷的進(jìn)行橫向變化，并且在這個過程中，可能會導(dǎo)致物體進(jìn)行橫向震蕩，相位正好與驅(qū)動力差90度。MEMS陀螺儀在進(jìn)行電容板移動的時候，往往有兩個方向，景象電容板和震蕩電壓能夠讓物體進(jìn)行徑向運(yùn)動，橫向電容板測量是因?yàn)闄M向科里奧利運(yùn)動導(dǎo)致的電容變化?？评飱W利力和角速度是成正比的，并且電容變化能夠進(jìn)行角速度的計算。選用的MEMS加速度計，采用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)語

一個完整的無人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)，不僅需要三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸磁場傳感器等傳感器來測量機(jī)身坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系之間的夾角（即飛行姿態(tài)），同時也需要GPS、對地測距儀等定位設(shè)備來確定直升機(jī)相對于地面坐標(biāo)系的位置，才能實(shí)現(xiàn)自主飛行。利用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，最終提高整個系統(tǒng)的有效性。

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