基于單片機的微小型無人直升機姿態控制系統的設計

    [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,完成了基于單片機技術的姿態控制系統的硬件設計,并且完成了檢測信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 單片機 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并提供圖像信息給地面,地面部分根據飛機的姿態及得到的圖像信息做出下一步飛行的指令并發給機載部分。考慮到使用環境的復雜情況,由人使用遙控器現場操作可以較好控制飛行,并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數據鏈路:一條負責傳送圖像,一條負責傳送飛行狀態和指令。圖像傳送的數據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送控制命令并獲得飛機的飛行狀態信息,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。機載部分系統包括:飛行姿態測量控制系統模塊、圖像設備模塊、數據鏈路以及執行舵機群等。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回路上加上一個用于姿態測量的反饋回路,通過傳感器得到微小型直升機的姿態信號,然后與要求控制的姿態信號進行比較,通過設計的反饋控制規律使輸出的控制信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信號,輸出到控制電路。 
　　三、控制系統的硬件實現 
　　對于一般微小型無人直升機而言,其測控系統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。本設計采用混合系統級MCU芯片——C8051F320型單片機作為控制中心的姿態控制系統,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個姿態角,所以要用2片ADXL202。 
　　單片機處于系統的主導地位,是實現控制算法、完成信號采集和信號轉化的核心器件。所有的傳感器信號和遙控指令都由單片機來識別和處理。單片機將這些數據按照一定的控制算法運算后,將數據結果轉化為控制信號輸出到舵機,或者利用數據傳輸模塊,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定性,我們還設計了電源穩壓保護電路。