新型超小型無人飛行器舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計
馮偉，龔振邦，羅均，高同躍
(上海大學(xué)，上海200072)
摘要：給出了一種基于C8051F單片機(jī)和MAX II CPID設(shè)計的超小型無人飛行器舵機(jī)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了多路脈寬調(diào)制(PWM)控制信號的采樣和輸出，通過采樣一路PWM信號實現(xiàn)自控與遙控的切換，并利用串行口與上位機(jī)通訊。系統(tǒng)具有成本低廉、安全可靠、實現(xiàn)容易的特點，飛行控制系統(tǒng)的一部分在飛行器多次試飛后，證明是安全實用的。
關(guān)鍵詞：舵機(jī)控制；C8051F單片機(jī)；CPLD
中圖分類號：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)07-0053-03
O引 言
舵機(jī)控制系統(tǒng)是飛行控制計算機(jī)和舵機(jī)之間的接口，它采集接收機(jī)多路PWM信號，與上位機(jī)進(jìn)行通訊，產(chǎn)生控制舵機(jī)的多路PwM信號，并實現(xiàn)遙控和自控間的控制模式切換功能[1]。文獻(xiàn)[2、3]中給出了各自的利用單片機(jī)來實現(xiàn)上述功能的方法。為了改進(jìn)使用器件過多或編程復(fù)雜或單片機(jī)負(fù)荷大等缺點，文獻(xiàn)[4、5]加入r電子開關(guān)。由于單片機(jī)抗干擾能力比較差，而飛機(jī)電磁環(huán)境又比較惡劣，為了在單片機(jī)失效的情況下仍能夠?qū)崿F(xiàn)遙控和自控之間的切換，文獻(xiàn)[1]加入了濾波器，增加了冗余，進(jìn)一步保證飛行器的安全，避免了由于舵機(jī)控制器失控而發(fā)生墜機(jī)的危險。
本文給出了一種基于C8051F單片機(jī)和MAX II CPLD設(shè)計的超小型無人飛行器舵機(jī)控制系統(tǒng)，具有成本低廉、安全可靠、實現(xiàn)容易的特點，可在線編程并成功應(yīng)用于實踐。
1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.1舵機(jī)
舵機(jī)是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，主要包括控制電路小型直流電動機(jī)、齒輪組及比例電位器。減速齒輪組由電動機(jī)驅(qū)動，其終端(輸出端)帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動電動機(jī)正向或反向轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為零，從而達(dá)到精確定位的目的[6,7]。舵機(jī)的控制信號為周期是50 Hz的PWM信號，其中脈沖寬度從O.5～2.O ms，相對應(yīng)舵盤的位置為O～180°，呈線性變化。
1.2硬件總體設(shè)計
在無人飛行器控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制系統(tǒng)被分離出來作為獨立模塊和舵機(jī)一起由單獨電壓供電，以避免內(nèi)部信號干擾。無人飛行器接收機(jī)一般具有五個遙控通道，分別用來控制五個舵機(jī)。另有三個備用通道，可輸出遙控發(fā)射機(jī)的開關(guān)量，可用來切換控制方式。
如圖1所示，接收機(jī)的五個遙控通道和三個備用通道與CPLD相連，分別輸入舵機(jī)控制信號5和切換控制方式信號6；CPLD根據(jù)得到的舵機(jī)控制信號5和切換控制方式信號6，輸出舵機(jī)控制信號4和模式切換信號3到單片機(jī)的信號采樣端口。單片機(jī)通過串行口與上位機(jī)通訊，將舵機(jī)控制信號5和切換控制方式信號6的信息發(fā)送給上位機(jī)，同時從上位機(jī)得到舵機(jī)控制信息后，輸出舵機(jī)控制信號2到CPLD中，CPLD根據(jù)輸入的信號2、5、6，輸出五路舵機(jī)控制信號8，經(jīng)過低通濾波器后，得到五路舵機(jī)控制信號7，分別輸出到五個舵機(jī)。低通濾波器共有五路，各由一個電阻和一個電容組成，分別對應(yīng)五路舵機(jī)控制信號8進(jìn)行濾波。CPLD采用有源晶振提供時鐘信號，并輸出時鐘信號1作為單片機(jī)的時鐘信號。
1.3 CPU和CPLD單元
silicon Lahs公司的C8051F系列單片機(jī)是完全集成的混合系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的高速內(nèi)核，體積小、功能多，且調(diào)試方便[8]。在本設(shè)計中，可編程計數(shù)器陣列(PCA)模塊讀取接收機(jī)信號脈沖寬度，定時器T2、T3用于控制舵機(jī)的PWM信號，集成的硬件循環(huán)冗余校驗(CRC)模塊用于進(jìn)行通訊數(shù)據(jù)校驗。利用其集成的片內(nèi)資源，使得軟硬件設(shè)計大大簡化，系統(tǒng)可靠性極大提高。
Altera公司推出的MAx II器件系列具有低功耗、易用性、實時在系統(tǒng)可編程等優(yōu)點。本設(shè)計選用了EPM240，在其中編程實現(xiàn)了電子開關(guān)和切換控制等單元。對不用的輸入端接地，并設(shè)置為高阻狀態(tài)。為了消除輸出信號產(chǎn)生的毛 |
