超小型遙控直升機(jī)飛行姿態(tài)穩(wěn)定器的設(shè)計(jì)

　　本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的是無線遙控直升機(jī)接收控制電路。本設(shè)計(jì)采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MMA7260QT低量程三軸向加速度傳感器和低功耗的MC9S08QG8 微控制器，并配合極少量的外圍器件。該電路能接收無線遙控發(fā)射機(jī)的控制指令，使直升機(jī)以不同的速度前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎，在沒有收到動(dòng)作指令時(shí)能使直升機(jī)自動(dòng)保持穩(wěn)定。由于該電路的體積小（32×12mm），重量輕，因此可以用于超小型遙控直升機(jī)。

　　設(shè)計(jì)概述

　　該系統(tǒng)能通過紅外遙控指揮直升機(jī)以不同的速度前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向。該系統(tǒng)主要有兩大部分：第一部分輸入轉(zhuǎn)換、指令編碼、紅外發(fā)射部分；第二部分紅外接收、解碼、飛行狀態(tài)檢測、伺服電機(jī)控制部分。這兩部分的紅外接收部分不是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，不做詳述。

　　直升機(jī)是由三個(gè)小型電機(jī)控制的：一個(gè)主旋翼電機(jī)，控制飛機(jī)的上升或下降；一個(gè)尾翼電機(jī)，控制飛機(jī)的方向；一個(gè)前進(jìn)/后退電機(jī)，控制飛機(jī)前進(jìn)或后退。本系統(tǒng)利用螺旋槳產(chǎn)生的推力使直升機(jī)的重心發(fā)生改變，使直升機(jī)向前或向后傾斜，來實(shí)現(xiàn)直升機(jī)的前進(jìn)或后退。對直升機(jī)的準(zhǔn)確控制，就是通過對這三個(gè)電機(jī)速度的準(zhǔn)確控制來實(shí)現(xiàn)的。

　　利用MMA7260QT三軸向加速度傳感器將直升機(jī)的飛行狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，再利用MC9S08QG8微控制器的10位ADC轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。MC9S08QG8的程序?qū)⑦@些信號綜合，自動(dòng)控制直升機(jī)上的三個(gè)電機(jī)，使直升機(jī)狀態(tài)穩(wěn)定。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)思想和技術(shù)關(guān)鍵

　　遙控直升機(jī)的飛行受飛行環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)的影響很大。隨著飛行環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)的變化，想要保證穩(wěn)定的飛行姿態(tài)是很難的。有了能自動(dòng)調(diào)節(jié)飛行姿態(tài)的穩(wěn)定器之后，操縱遙控直升機(jī)就變得非常簡單。該系統(tǒng)是采用飛思卡爾公司的MMA7260QT作為飛行狀態(tài)傳感器來實(shí)現(xiàn)的，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

　　Z軸是直升機(jī)的升降軸，在直升機(jī)靜止時(shí)讀取MMA7260QT的Z軸數(shù)據(jù)，作為參考點(diǎn)。飛機(jī)上升或下降時(shí)讀取的數(shù)值相對于參考點(diǎn)的變化量，就是Z軸的加速度az，那么飛機(jī)上升或下降的速度Vz就是az對時(shí)間的積分。上升為正、下降為負(fù)。程序按照適當(dāng)?shù)谋壤龘Q算后控制主旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使直升機(jī)保持為懸停狀態(tài)。當(dāng)然，這只是對Z軸理想化后的理論計(jì)算。

　　由于當(dāng)直升機(jī)發(fā)生傾斜時(shí)，Z軸的數(shù)據(jù)參考點(diǎn)會發(fā)生變化。這樣，還以原數(shù)據(jù)作為參考點(diǎn)得到的gz就不是正確的。為什么直升機(jī)傾斜會使靜止參考點(diǎn)發(fā)生變化呢？那是由MMA7260QT傳感器的特性決定的：當(dāng)Z軸垂直于地面，也就是與重力方向平行時(shí)，在Z軸上已經(jīng)加有一個(gè)重力加速度。當(dāng)直升機(jī)發(fā)生傾斜時(shí)，Z軸上的加速度就只是重力的一部分，這樣實(shí)際的零加速度參考點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生了變化。所以，在求Z軸的加速度時(shí)，必須解決這個(gè)問題。

　　在直升機(jī)飛行過程中，由于直升機(jī)的重心很低，所以認(rèn)為在X-Z面上是不會有傾斜的。Y-Z面的傾斜是操縱直升機(jī)前進(jìn)或后退造成的，當(dāng)Y-Z面發(fā)生傾斜時(shí)，Y軸的靜態(tài)參考點(diǎn)也一定發(fā)生了變化。當(dāng)然，在Z軸和Y軸有合成加速度時(shí)，也會出現(xiàn)這種結(jié)果。無論是哪一種原因造成的，我們都要先去調(diào)整Y軸，使Y軸的數(shù)據(jù)值在靜態(tài)參考點(diǎn)上。在傾斜度為零、加速度也為零的狀態(tài)時(shí)，Z軸靜止沒有變化，這時(shí)的條件和理想化的條件是一樣的。所以，這時(shí)得到的gz是正確的。我們就在這時(shí)讀取gz的值，作為控制Z軸狀態(tài)的依據(jù)。

　　在實(shí)際飛行狀態(tài)中，傾斜產(chǎn)生的重力加速度與Y軸加速度的代數(shù)和為零是一個(gè)特殊狀態(tài)。這時(shí)直升機(jī)傾斜在Y軸產(chǎn)生的分力所產(chǎn)生的加速度正好與Y軸的實(shí)際加速度數(shù)值相等，而方向相反，安裝調(diào)整時(shí)要注意回避這一特殊狀態(tài)。

　　Y軸是直升機(jī)的前進(jìn)/后退軸。因?yàn)橹鄙龣C(jī)是在室內(nèi)飛行，認(rèn)為環(huán)境沒有風(fēng)的影響。所以只要直升機(jī)有加速度存在，直升機(jī)就有傾斜。直升機(jī)前進(jìn)或后退的力Fy是直升機(jī)的升力F0的方向與重力的反方向的夾角β的正弦函數(shù)。有Fy=F0sinβ，而Y軸的加速度ay正比于Fy。由于直升機(jī)的速度很低，忽略空氣阻力的作用，則：ay=Fy/M，式中M是直升機(jī)的質(zhì)量。

　　同時(shí)，傾斜角會產(chǎn)生一個(gè)重力加速度gY，夾角也是β。它與重力加速度g0有：

　　gY=-g0sinβ。ay和gY的方向是相反的。測到的加速度a是ay和gY的代數(shù)和。這個(gè)代數(shù)和的方向及大小可以實(shí)測得到。

　　為了減少實(shí)測數(shù)據(jù)的工作量，只測出a的方向和大概數(shù)值即可?？刂茣r(shí)使a逐步向零靠近，最終基本等于零。

　　由于在直升機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，X軸有加速度，同時(shí)Y軸也會有加速度。為了簡化計(jì)算，Y軸的加速度也要在X軸的加速度為零時(shí)檢測。

　　當(dāng)Y軸有操縱指令時(shí)，Y軸的自動(dòng)控制暫時(shí)被停止。

　　X軸是直升機(jī)的左右轉(zhuǎn)向軸，在Z-X面上，直升機(jī)不會有傾斜，所以Z軸的加速度不會影響X軸的加速度。在直升機(jī)靜止時(shí)，若直升機(jī)發(fā)生方向改變，程序就控制尾翼電機(jī)，使方向改變停止，使X軸方向速度為零。當(dāng)Y軸或X軸有操縱指令時(shí)，X軸的自動(dòng)控制暫時(shí)被停止。

　　另外，直升機(jī)在飛行過程中，電機(jī)和螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)引起的振動(dòng)也使傳感器產(chǎn)生失真數(shù)據(jù)。所以，需要排除自動(dòng)干擾后的數(shù)據(jù)才能使用。那么，怎樣排除這些振動(dòng)的干擾呢？該方案采用了兩種措施：一是將信號限制范圍，超過范圍的信號被排除。二是用累加平均法：用遠(yuǎn)高于振動(dòng)頻率的采樣率讀取數(shù)據(jù)，再以遠(yuǎn)大于振動(dòng)周期的時(shí)間段將數(shù)據(jù)平均。這樣得到的數(shù)據(jù)，可以排除大部分的振動(dòng)干擾。

　　系統(tǒng)的功能和工作過程

　　直升機(jī)接通電源后，處于接收遙控信號狀態(tài)。

　　發(fā)射機(jī)必需先按下啟動(dòng)按鈕，直升機(jī)方可啟動(dòng)。在啟動(dòng)之前，所有其它操作都是無效的。

　　收到并確認(rèn)遙控信號的啟動(dòng)信號時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)三個(gè)電機(jī)。電機(jī)的啟動(dòng)速度很慢，保證直升機(jī)不會動(dòng)。當(dāng)電機(jī)的速度增加到使直升機(jī)有微小上升時(shí)，控制電路記憶保持直升機(jī)不動(dòng)時(shí)電機(jī)的最大速度。這時(shí)啟動(dòng)過程結(jié)束，直升機(jī)的移動(dòng)可隨意遙控。

　　遙控器左手的縱向控制直升機(jī)的升降，右手的縱向控制進(jìn)退，右手的橫向控制方向。長時(shí)間無正確的遙控信號時(shí)，程序會自動(dòng)使直升機(jī)停下來。

　　電池電壓不足時(shí)，LED會亮1秒，暗1秒來指示。在電池低到一定程度時(shí)，會自動(dòng)進(jìn)入停止操作，并同時(shí)輸出電池電壓不足LED指示。

　　系統(tǒng)框圖

　　系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　硬件描述

　　編碼、紅外發(fā)射和紅外接收電路不是本次討論的重點(diǎn)，不做描述。重點(diǎn)描述飛行姿態(tài)傳感器電路、ADC電路、解碼電路、XYZ軸輸出電路。圖2所示為其原理圖。

　　飛行姿態(tài)傳感器電路

　　該部分電路由MMA7260QT、R1、R2、R3、C1、C2、C3、C5組成。

　　MMA7260QT是一個(gè)三軸小量程加速度傳感器模塊。它的靈敏度可通過g-Select1和g-Select2來選擇。最高靈敏度可達(dá)800mV/g。工作電壓低、可工作電壓范圍寬(2.2～3.6V），功耗小（0.5mA，在睡眠狀態(tài)只有3μA）。非常適合電池供電的應(yīng)用。另外，小尺寸封裝，使其重量也很輕。g-Select1和g-Select2分別接到PTA2和PTA3上。可以根據(jù)需要選擇靈敏度。

　　XYZ軸的輸出經(jīng)過電阻R1、R2、R3和電容C1、C2、C3濾波后分別接到了MCU的ADC輸入。 因?yàn)樵谶@項(xiàng)應(yīng)用中MMA7260QT 保持在工作狀態(tài)，所以Sleep Mode腳接到了VDD。C5是為了減小電源波動(dòng)對傳感器的影響加的去耦電容。

　　XYZ軸輸出電路

　　XYZ軸輸出電路由電機(jī)Mz、Mx、My、MOSFET管T1、T2、T3、二極管D1、D2、D3和電阻R6、R7、8組成。XYZ軸電機(jī)控制信號分別通過普通的B口輸出腳PTB5、PTB4、PTB6輸出。這里PTB5、PTB4、TB6已經(jīng)通過軟件將其做成PWM輸出口。它們輸出的是電壓PWM信號，通過PWM信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　這個(gè)PWM信號通過電阻R6（R7、R8）送到MOSFET管的控制極，控制MOSFET管的通/斷，帶動(dòng)電機(jī)工作。因?yàn)镸OSFET是電壓控制器件，是不需要限流電阻的。這里的R6、R7、R8是為減小電機(jī)的脈沖干擾信號通過T1、T2、T3耦合對MCU的影響而設(shè)。

　　D1、D2、D3是在T1、T2、T3關(guān)斷時(shí)為電機(jī)提供電流通路。

　　Mz是主旋翼電機(jī)，帶動(dòng)直升機(jī)的主旋翼，控制著直升機(jī)的升/降。

　　Mx是尾翼電機(jī)，帶動(dòng)直升機(jī)的尾翼螺旋槳，控制著直升機(jī)的方向。

　　My是進(jìn)/退電機(jī)，控制著直升機(jī)的前進(jìn)/后退。

　　系統(tǒng)軟件

　　軟件流程

　　軟件流程如圖3所示。

　　軟件描述

　　飛行姿態(tài)信號和電池電壓AD轉(zhuǎn)換程序

　　實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)信號測量的方法是：首先用準(zhǔn)確的時(shí)間間隔來測飛行姿態(tài)信號；將測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，大于最大限制值時(shí)放棄；對于在規(guī)定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)求代數(shù)和，同時(shí)記錄求和的次數(shù)；經(jīng)過一段規(guī)定的時(shí)間后，將求得的代數(shù)和除以求和的次數(shù)，就得到了在這段規(guī)定時(shí)間的平均值。用計(jì)時(shí)器設(shè)一個(gè)定期的時(shí)間中斷就可實(shí)現(xiàn)測量時(shí)間的準(zhǔn)確間隔。

　　實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)信號測量的程序簡略如下：

　　在初始化程序中：設(shè)置ADC在CH4上，ADC關(guān)中斷連續(xù)轉(zhuǎn)換。在CH4上是X軸數(shù)據(jù)設(shè)置，MTIM計(jì)時(shí)模塊T_n時(shí)間中斷一次。

　　電池電壓監(jiān)控程序

　　當(dāng)檢測到電壓低到某一值時(shí)，程序會通過LED顯示，向操縱人員報(bào)警。如沒有及時(shí)控制直升機(jī)停止飛行，電壓會繼續(xù)降低。當(dāng)電壓低到不能允許再低的時(shí)候，程序?qū)?qiáng)制直升機(jī)停止飛行。這個(gè)"強(qiáng)制停止"不是立刻將電機(jī)停止，那樣會使直升機(jī)墜落，而是平衡地減小PWM輸出，使直升機(jī)緩慢的降落