小型無人機(jī)全姿態(tài)增穩(wěn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) - 全文

　　在無人機(jī)中，飛控系統(tǒng)是主要組成部分，而姿態(tài)增穩(wěn)控制則是對(duì)無人機(jī)順利執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)的有效方法。本文以實(shí)際應(yīng)用為背景，詳細(xì)介紹了基于三軸陀螺和傾角傳感器構(gòu)成全姿態(tài)增穩(wěn)控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)及軟件設(shè)計(jì)，并將其運(yùn)用在某型無人機(jī)中，針對(duì)系統(tǒng)中飛行姿態(tài)控制的的流程和內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制的規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的分析與研究。經(jīng)過百余次試飛，基于三軸陀螺和傾角傳感器構(gòu)成的姿態(tài)增穩(wěn)控制系統(tǒng)，不僅滿足了現(xiàn)階段任務(wù)要求，還達(dá)到了良好的效果，為同類無人機(jī)的開發(fā)與研制提供了一套行之有效的方法。

　　系統(tǒng)特點(diǎn)

　　由陀螺和傾角傳感器構(gòu)成全姿態(tài)增穩(wěn)控制回路。陀螺測(cè)量得到的角速度信息用作增穩(wěn)反饋控制，使飛機(jī)操縱起來變的更“遲鈍”一些，從而利用傾角傳感器測(cè)得飛機(jī)橫滾角和俯仰角。然后將陀螺測(cè)得的角速率信息和傾角傳感器測(cè)得的姿態(tài)角進(jìn)行捷聯(lián)運(yùn)算，得到融合后的姿態(tài)信息。這種較為復(fù)雜的捷聯(lián)算法可使姿態(tài)精度得到很大提高。

　　姿態(tài)增穩(wěn)控制律硬件設(shè)計(jì)

　　無人機(jī)姿態(tài)增穩(wěn)控制屬于內(nèi)回路控制，它包括姿態(tài)保持與控制、速度控制等模式。內(nèi)回路控制是在以三軸陀螺和傾角傳感器獲取無人機(jī)飛行姿態(tài)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)升降舵、方向舵的控制，完成飛行姿態(tài)的穩(wěn)定與控制。內(nèi)回路控制作為飛行控制的核心回路，也是飛行高度、航跡等外回路控制的基礎(chǔ)。外回路控制是以GPS的位置、航向信號(hào)、高度傳感器的氣壓高度信號(hào)為基準(zhǔn)的，它通過導(dǎo)航控制方法計(jì)算出飛行器的預(yù)定航線和實(shí)際航線。

　　無人機(jī)內(nèi)回路控制作為外回路控制的基礎(chǔ)，對(duì)其能否穩(wěn)定飛行起著至關(guān)重要的作用。該系統(tǒng)中，內(nèi)回路是由三軸陀螺和傾角傳感器構(gòu)成的姿態(tài)增穩(wěn)控制回路。主要由主控制單片機(jī)、A／D采樣芯片、三軸陀螺儀和傾角傳感器組成。主控制單片機(jī)通過SPI串行總線與A／D采樣芯片相連，通過A／D采樣芯片獲得三軸陀螺儀的角速率與傾角傳感器的橫滾角和俯仰角，然后進(jìn)行姿態(tài)信息融合，得到無人機(jī)俯仰和橫滾的姿態(tài)信息。主要接口連接情況如圖1所示。

　　圖l中，AD7888是一款高速率、低功耗的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，能達(dá)到125 KSPS的傳輸速率，擁有8路模擬輸入通道。為片選引腳，該引腳有兩個(gè)作用，即啟動(dòng)AD7888轉(zhuǎn)換器和制定串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，與單片機(jī)引腳PB0（）相連。SCLK為串行時(shí)鐘輸入引腳，通過外接單片機(jī)ATmegal28引腳 PBl（SCK）提供串行時(shí)鐘信號(hào)。DIN為邏輯數(shù)據(jù)輸入端，DOUT為邏輯數(shù)據(jù)輸出端，分別與ATmegal28的引腳PB2（MOSI）和 PB3（MISO）相連。

　　外部基準(zhǔn)電壓的范圍是Vref～VDD（Vref=1．2 V）。為了獲得穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，采用由TL431組成基準(zhǔn)電壓電路。德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的TL431是一個(gè)有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用電阻R2和R3就可以設(shè)置到從Vref=2．5 V到Vref=36 V范圍內(nèi)的任何值。

　　單片機(jī)ATmegal28與AD7888通過串行通信接口SPI相連，分別配置為主機(jī)和從機(jī)。SPI總線允許ATmegal28與外設(shè)之間進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。

　　三軸陀螺主要用來測(cè)量無人機(jī)在飛行過程中俯仰角、橫滾角和偏航角的角速度，并根據(jù)角速度積分計(jì)算角度的改變。該系統(tǒng)中采用日本松下公司的EWTS82（以下簡稱S82），其原理是將旋轉(zhuǎn)時(shí)音叉震蕩產(chǎn)生的地球偏轉(zhuǎn)力（克里奧利力）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。該三軸陀螺由傳感器件、音叉驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)處理電路構(gòu)成。此款陀螺為一模擬器件，具有+80～-80（°）／s的測(cè)量范圍，單電源（+5 V DC）供電，對(duì)零點(diǎn)漂移抑制較好等優(yōu)點(diǎn)。另外，其低廉的價(jià)格可大大降低開發(fā)成本。

　　傾角傳感器采用芬蘭VTI Technologies公司生產(chǎn)的高精度雙軸傾角傳感器SCAl00T，該傳感器的體積小，重量輕。其內(nèi)部包含了一個(gè)硅敏感電容傳感器和一個(gè)ASIC專用集成電路，既具有內(nèi)部溫度測(cè)量及補(bǔ)償功能，又具備自檢測(cè)功能，單軸最大輸出范圍約為-40～+40 ℃，有效輸出范圍為-30～+30 ℃。當(dāng)采樣頻率為8 Hz及以下時(shí)，可獲得0．002°的輸出分辨率。串行外圍接口SPI的輸出頻率為500 kHz，通過傳感器元件控制頻率響應(yīng)，能夠承受大于20 000g的機(jī)械振動(dòng)。它具有的主要特點(diǎn)是：x，y雙軸高分辨率雙向測(cè)量，單電源（+5 V DC）供電，工作電流?。? mA），噪聲低，工作溫度范圍寬（-40～+125 ℃）等。

　　姿態(tài)增穩(wěn)控制軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)飛控系統(tǒng)的輸入量即為傳感器所采集的飛行狀態(tài)值，輸出量為飛機(jī)狀態(tài)方程的控制變量（舵值和發(fā)動(dòng)機(jī)推力），所以飛控系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)多通道的控制系統(tǒng)，即多輸入／多輸出控制系統(tǒng)。其中，飛控系統(tǒng)的核心控制回路是以姿態(tài)角（俯仰角／滾轉(zhuǎn)角的）反饋信號(hào)為基礎(chǔ)構(gòu)成的飛行姿態(tài)穩(wěn)定和控制回路，即內(nèi)回路。

　　在內(nèi)回路的基礎(chǔ)上，又引入高度保持、航跡控制等外回路。

　　在飛控系統(tǒng)的姿態(tài)增穩(wěn)控制回路中三軸陀螺實(shí)時(shí)反饋飛機(jī)的俯仰、橫滾和偏航的角速率。另外，將三軸陀螺的俯仰角速率和橫滾角速率分別與傾角傳感器測(cè)得的俯仰角和橫滾角進(jìn)行姿態(tài)捷聯(lián)解算。主控單片機(jī)利用定時(shí)／計(jì)數(shù)器O的定時(shí)中斷，間隔30 ms循環(huán)進(jìn)行內(nèi)環(huán)的姿態(tài)控制，控制流程如圖2所示。由于飛機(jī)沿縱向平面的對(duì)稱性，無人機(jī)飛行控制可以分為相對(duì)獨(dú)立的縱向控制和橫側(cè)向控制通道。

　?。?）橫側(cè)向控制通道：無人機(jī)的橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)即無人機(jī)的滾轉(zhuǎn)和偏航運(yùn)動(dòng)，主要通過副翼通道來實(shí)現(xiàn)。在橫側(cè)向控制通道中有滾轉(zhuǎn)角反饋和滾轉(zhuǎn)角速率反饋，這兩項(xiàng)構(gòu)成了滾轉(zhuǎn)通道的核心回路——內(nèi)回路。另外，航向偏差反饋只有在無人機(jī)作定向直飛、航向跟蹤或者自主導(dǎo)航時(shí)才需要接人，以穩(wěn)定控制無人機(jī)的飛行航向；側(cè)偏距反饋僅當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入自主導(dǎo)航時(shí)才需要接入，以控制無人機(jī)跟蹤預(yù)先設(shè)置的飛行航線；誤差積分反饋僅僅當(dāng)無人機(jī)做定向直飛時(shí)才接入，以消除無人機(jī)左右不對(duì)稱性等因素的影響，改善無人機(jī)航向控制的精度以及左右轉(zhuǎn)彎的對(duì)稱性。

　?。?）縱向控制通道：無人機(jī)的縱向運(yùn)動(dòng)即指無人機(jī)的俯仰及升降運(yùn)動(dòng)。無人機(jī)的縱向運(yùn)動(dòng)規(guī)律是通過操縱無人機(jī)的升降舵來實(shí)現(xiàn)的。在縱向控制通道中有俯仰角反饋和俯仰角速率反饋，這兩項(xiàng)構(gòu)成了縱向通道的核心控制回路——內(nèi)回路。另外，還有高度差反饋，只有在無人機(jī)做定高飛行時(shí)才需要接入，以穩(wěn)定無人機(jī)的飛行高度?？v向控制俯仰角通道的框圖如圖3所示。

　　通?？梢园褵o人機(jī)飛行過程劃分為幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的航段。一個(gè)最基本的自主飛行工程可以劃分為6個(gè)航段：起飛階段、出航平飛階段、轉(zhuǎn)彎階段、返航平飛階段、盤旋階段和著陸階段。每個(gè)航段的任務(wù)相對(duì)獨(dú)立，把各航段的復(fù)雜飛行狀態(tài)分解為幾個(gè)基本的飛行任務(wù)：平飛、轉(zhuǎn)彎、升降等。這樣通過相對(duì)獨(dú)立的縱向控制通道和橫側(cè)向控制通道來協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的平飛、轉(zhuǎn)彎、升降等基本飛行任務(wù)。