固定翼飛機(jī)豎直飛行控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

引言

　　固定翼飛機(jī)水平飛行是最常見的飛行狀態(tài)，讓其做大仰角飛行則動(dòng)作不能一直保持，如讓其垂直于地面飛行能保持的時(shí)間則更短。本項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)可以讓飛機(jī)垂直于地面飛行并可以穩(wěn)定在固定高度的控制系統(tǒng)。利用在機(jī)身加入的三軸向加速度傳感器來檢測(cè)垂直于地面飛行的飛機(jī)的姿態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到飛機(jī)前后搖擺時(shí)，控制水平尾翼使飛機(jī)保持前后方向的穩(wěn)定性；當(dāng)檢測(cè)到飛機(jī)左右搖擺時(shí)，控制垂直尾翼使飛機(jī)保持左右方向的穩(wěn)定性；當(dāng)檢測(cè)到飛機(jī)上下竄動(dòng)時(shí)，控制油門的大?。绰菪龢霓D(zhuǎn)速）來保持飛機(jī)飛行高度的穩(wěn)定性。當(dāng)這些控制都很精準(zhǔn)到位時(shí)，固定翼飛機(jī)也可以像直升機(jī)一樣穩(wěn)穩(wěn)地懸停在空中了。利用本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可以讓飛機(jī)在做垂直飛行減速的同時(shí)順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)90°（投影面積很小），這樣就可以減小暴露給后面飛機(jī)的投影面積，減小被擊中的幾率。

設(shè)計(jì)概述

　　為了讓飛機(jī)能豎直飛行，控制電路需要有以下功能：

　　判斷飛機(jī)是否要豎直飛行 對(duì)于真飛機(jī)，它可能只是一個(gè)可防止誤觸發(fā)的撥動(dòng)開關(guān)；在本項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)品遙控飛機(jī)里，它就是某一個(gè)通道的脈寬信號(hào)。當(dāng)脈寬大于某一設(shè)定值時(shí)，控制電路就知道它該上場(chǎng)了。

　　判斷自身姿態(tài) 這是本控制電路的核心部分之一，在控制飛機(jī)保持豎直飛行之前必須先判斷自身的姿態(tài)。本項(xiàng)目用MMA7260QT傳感器檢測(cè)飛機(jī)的姿態(tài)。

　　控制 這是本項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作過程中最耗時(shí)的部分，但其原理很容易理解：姿態(tài)電路已經(jīng)了解了飛機(jī)的姿態(tài)，控制電路只要做相應(yīng)動(dòng)作就可以了。飛機(jī)前傾它就讓飛機(jī)向前移動(dòng)一些，后傾就向后移動(dòng)一些。還有一個(gè)需要控制的量——高度，飛機(jī)在做此動(dòng)作時(shí)高度是要保持穩(wěn)定的，機(jī)身上沖時(shí)要減小油門，下降時(shí)要加大油門。要完成如此控制，要用兩片MC9S08QG8。為了達(dá)到上述功能，本項(xiàng)目應(yīng)有如圖1所示的電路框圖。

　　選用兩片MC9S08QG8是因?yàn)樵诒卷?xiàng)目里有兩處對(duì)時(shí)間要求比較嚴(yán)格的地方：一是讀從遙控器送出的脈寬；二是把經(jīng)過運(yùn)算的脈寬精確地發(fā)送出去，兩處都要10μS以內(nèi)的誤差，如用一片來做即使用中斷也會(huì)有沖突。本項(xiàng)目里兩片MC9S08QG8工作的大體分配是：一片作為主控，用于讀取遙控器送來的由接收機(jī)收到的脈寬（高實(shí)時(shí)性）、讀取飛機(jī)姿態(tài)（低實(shí)時(shí)性）、控制運(yùn)算（PID運(yùn)算）和數(shù)據(jù)發(fā)送（把需要對(duì)飛機(jī)如何控制的數(shù)據(jù)，也就是PID運(yùn)算的結(jié)果送給另一片MCU）；另外一片作為輔助，只要把讀到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)給飛機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就可以了。

硬件描述

　　硬件電路如圖2所示。

·傳感器MMA7260QT輸出的三個(gè)軸的數(shù)據(jù)分別送入主控MCU的三個(gè)A/D輸入端ADP0、ADP1和ADP2，電源接一個(gè)電阻和電感可防止電源對(duì)傳感器的干擾。

　　·整個(gè)電路的電源由J1從接收機(jī)引入，通過78FC33變?yōu)?.3V后給MCU和傳感器供電，J2、J3、J4分別是左右、油門和前后控制。

　　·主控MCU的第二路TPM的捕捉輸入端TPMCH1接接收機(jī)的信號(hào)輸出端。本遙控系統(tǒng)是9通道的，也就是可同時(shí)控制9個(gè)機(jī)構(gòu)，這種9通道的信號(hào)見圖3。它是由間隔為20ms的一個(gè)個(gè)脈沖串組成，每個(gè)脈沖串有9個(gè)脈沖，連續(xù)兩個(gè)脈沖的上升沿的間隔就是遙控器送出的有效控制信號(hào)，此間隔最小1ms、最大2ms。TPM捕捉到9個(gè)脈沖的寬度后，就可以根據(jù)需要直接送給舵機(jī)或經(jīng)PID運(yùn)算后再送給舵機(jī)了。至于如何識(shí)別某一脈沖是上一個(gè)脈沖串的結(jié)尾還是下一個(gè)脈沖串的開頭，這里涉及到一個(gè)同步脈沖的概念，屬于軟件內(nèi)容，在此先不作解釋。

　　·主控MCU的串行輸出端接輔助MCU的串行輸入端。主控MCU想如何控制飛機(jī)動(dòng)作，只要通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給輔助MCU就可以了，發(fā)送格式如表1所示，共8個(gè)字符，其中0xAA、0x55為引導(dǎo)位……

　　·三個(gè)LED，D1是電源指示燈，D3用于指示“我是控制電路，我已經(jīng)開始控制飛機(jī)豎直飛行了”，D2是“出錯(cuò)了，小心出問題，快切換回由你控制吧。”

      ·輔助MCU有兩個(gè)工作：一是讀主控MCU送來的串行數(shù)據(jù)，找到引導(dǎo)字符后，把前后左右上下（油門）的數(shù)據(jù)送入相應(yīng)的數(shù)組貯存；二是每20ms把相應(yīng)的數(shù)組里的數(shù)據(jù)以脈沖形式發(fā)送出去。脈沖最小1ms、最大2ms。這個(gè)信號(hào)送入飛機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——舵機(jī)后對(duì)應(yīng)的輸出規(guī)律見圖4。1ms的脈沖使舵機(jī)搖臂在最左邊的位置，1.5ms的脈沖使舵機(jī)搖臂位于中位，2ms的脈沖使舵機(jī)搖臂在最右邊的位置。舵機(jī)的搖臂連接飛機(jī)的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，搖臂搖動(dòng)時(shí)飛機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如尾翼等）也跟著擺動(dòng)。

軟件描述

　　主控MCU部分，流程圖見圖5。

·讀取遙控信號(hào)：這個(gè)遙控信號(hào)見圖5右上角，是9個(gè)脈沖組成的脈沖串，每20ms一串，讀取的方法如下，由TPM捕捉到脈沖的上升沿進(jìn)入模定時(shí)器捕捉中斷程序后，先看是不是脈沖串里的第一個(gè)，若是就把定時(shí)器清零，然后把捕捉值存入數(shù)組，這樣9次后，數(shù)組里就由低到高地存下了每個(gè)脈沖發(fā)生的時(shí)間，用減法一算，各脈沖寬度就出來了。為防止出錯(cuò)，附加了脈沖數(shù)錯(cuò)誤預(yù)防，就是對(duì)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果在一個(gè)脈沖串里讀到了多于9個(gè)脈沖就意味著有干擾了，需要盡快把所有脈寬按中間值1.5ms處理。這樣雖然和遙控器發(fā)出的指令不一樣，但減少了出大問題的機(jī)會(huì)。

      ·8ms定時(shí)中斷：系統(tǒng)有一個(gè)模定時(shí)器18ms中斷程序，因?yàn)檎５拿}沖串9個(gè)脈沖不會(huì)超過18ms，所以可以讓定時(shí)器在第一個(gè)脈沖開始時(shí)計(jì)數(shù)，計(jì)到18ms就認(rèn)為一個(gè)脈沖串結(jié)束，把脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器清零。模定時(shí)器捕捉中斷程序里看到這個(gè)計(jì)數(shù)器被清零了就知道下一個(gè)脈沖串開始了。這個(gè)中斷還為PID的定時(shí)運(yùn)算提供時(shí)間標(biāo)志，每進(jìn)入一次中斷就把標(biāo)志置位，主程序讀到標(biāo)志被置位就進(jìn)行PID運(yùn)算，這樣就保證了PID運(yùn)算的周期是固定的。

　　·1.67ms中斷程序和A/D中斷程序：為了讀取MMA7260QT輸出的數(shù)據(jù)需要用A/D讀值，這里每1.6667ms進(jìn)入中斷一次設(shè)定A/D通道，讀完三個(gè)通道用時(shí)5ms，在兩個(gè)脈沖串的標(biāo)準(zhǔn)間隔20ms內(nèi)可以各讀4次，用滑動(dòng)平均值算法后可以濾除干擾。

主程序介紹

　　雖然傳感器都是水平放置的，但因?yàn)闇囟入妷旱鹊牟煌?，三個(gè)軸的輸出和計(jì)算的輸出是不一樣的，會(huì)有少許偏差，為了解決這個(gè)問題，在上電后先對(duì)三個(gè)軸的值連續(xù)讀64次后平均，把這個(gè)平均值作為飛機(jī)要穩(wěn)定的目標(biāo)值，這樣飛機(jī)就基本穩(wěn)定了。

　　提到穩(wěn)定，PID功不可沒，主程序里的PID有兩處要提一下。一是因?yàn)閭鞲衅鞯姆€(wěn)定性問題和飛機(jī)的抖動(dòng)，A/D輸出值差2、3個(gè)數(shù)是很正常的，所以在主程序里要判斷一下，如果誤差值在3以內(nèi)，則不進(jìn)行PID運(yùn)算，這樣就減少了舵機(jī)無(wú)謂的抖動(dòng)；二是因?yàn)轱w機(jī)的前后左右重量不一致，所以在飛機(jī)前傾后仰左右擺動(dòng)時(shí)要用不同的P值計(jì)算。

　　主程序每20ms更新一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)就是前后左右上下的控制脈沖的寬度。這個(gè)數(shù)據(jù)是把模定時(shí)器捕捉中斷程序里捕捉到的數(shù)直接拿來用還是要拿PID運(yùn)算的數(shù)據(jù)來用？這由一個(gè)脈寬（決定此時(shí)飛機(jī)是否要豎直飛行的脈寬）決定，這里用到的是第7個(gè)脈沖的脈寬，也就是遙控器的第7通道，這個(gè)參數(shù)被命名為Helen，當(dāng)Helen >1500（1.5ms）時(shí)就是操縱者要豎直飛行，要把PID運(yùn)算的數(shù)據(jù)輸出；當(dāng)Helen <1500時(shí)就是正常飛行，直接把模定時(shí)器捕捉中斷程序里捕捉到的數(shù)輸出就可以了。

　　要得到各個(gè)脈沖寬度，只要把從低到高的每個(gè)脈沖發(fā)生的時(shí)間做減法就可以了，這個(gè)減法運(yùn)算也是在主程序里完成的。減法完成后還要對(duì)脈沖寬度進(jìn)行出錯(cuò)處理，要檢查一下，小于1ms的按1ms算，大于2ms的按2ms算，處理完了就可以調(diào)用發(fā)送中斷發(fā)送給輔助MCU了。調(diào)用方式是把數(shù)組排列好，把發(fā)送數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器清零，打開發(fā)送中斷允許位，這時(shí)發(fā)送緩沖區(qū)是空的，發(fā)送中斷一允許，它就立刻進(jìn)中斷開始發(fā)送。

　　串口發(fā)送中斷程序：程序進(jìn)入本中斷后首先把發(fā)送數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器指示的數(shù)送到發(fā)送緩沖區(qū)去發(fā)送，如發(fā)送完了就把發(fā)送中斷允許位清零，以防止正在發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送完后再次進(jìn)入中斷；如沒發(fā)送完就直接退出，等待下次中斷。

　　輔助MCU程序流程圖見圖6。

　　串口接收中斷：輔助MCU程序的關(guān)鍵在串口接收中斷，接收到的數(shù)要存入指定的數(shù)組，這個(gè)容易實(shí)現(xiàn)，而把引導(dǎo)頭找出來就不那么容易了，因?yàn)樽鳛橐龑?dǎo)頭的0xAA、0x55也有可能是數(shù)據(jù)，只有連起來的才是引導(dǎo)頭，判斷方法詳見圖6。

　　因?yàn)楸?strong>MCU只有兩個(gè)定時(shí)器，但需要控制三路脈沖，所以有兩路脈沖用定時(shí)器的PWM功能實(shí)現(xiàn)，另外一路需要用軟件模擬，本文選用的方法是用一個(gè)20ms的中斷，進(jìn)入中斷后把I/O口置位，然后在主程序里循環(huán)判斷定時(shí)器的值，當(dāng)定時(shí)器的值大于要送的脈沖值時(shí)把I/O復(fù)位。