微小型無(wú)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)
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隨著國(guó)內(nèi)外反恐形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻和各類(lèi)突發(fā)事件的頻繁發(fā)生,對(duì)武警部隊(duì)能否在各種復(fù)雜、危險(xiǎn)的環(huán)境下,快速有效地完成任務(wù),提出了更高的要求。傳統(tǒng)的偵察手段已經(jīng)不能滿(mǎn)足形勢(shì)的需求,如重大自然災(zāi)害,導(dǎo)致救援工作無(wú)法展開(kāi);反恐或協(xié)助抓捕時(shí)不能有效地跟蹤嫌疑人等。無(wú)人偵察機(jī)的出現(xiàn)給執(zhí)勤人員帶來(lái)了方便,但在偵察過(guò)程中無(wú)人機(jī)自身產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)使圖像拍攝出現(xiàn)抖動(dòng),因此很大程度上影響到指揮員的正確決策。傳統(tǒng)的自駕儀采用慣性測(cè)量單元獲得飛機(jī)的姿態(tài)信息,包括角速度計(jì)(陀螺)和加速度計(jì)。陀螺用來(lái)測(cè)量飛機(jī)的姿態(tài)角和角速度;加速度計(jì)用來(lái)測(cè)一般重力加速度下兩個(gè)水平方向的投影,通過(guò)三角關(guān)系可以換算出飛行器當(dāng)前的姿態(tài),也就是俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。但是,利用加速度計(jì)測(cè)量的姿態(tài)信息十分容易受到飛行器振動(dòng)和機(jī)動(dòng)飛行時(shí)自身加速度的干擾,測(cè)量精度誤差一般比較大,穩(wěn)定性差,使偵察效果受到影響。為解決無(wú)人機(jī)飛行平穩(wěn)性,研究了一款由三軸陀螺和傾角傳感器構(gòu)成的全姿態(tài)增穩(wěn)控制系統(tǒng),用以改進(jìn)無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的穩(wěn)定性。
l 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(lái)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。
2 姿態(tài)增穩(wěn)控制律硬件設(shè)計(jì)
無(wú)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(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的基礎(chǔ)上,通過(guò)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(guò)導(dǎo)航控制方法計(jì)算出飛行器的預(yù)定航線(xiàn)和實(shí)際航線(xiàn)。
無(wú)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(guò)SPI串行總線(xiàn)與A/D采樣芯片相連,通過(guò)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(wú)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(guò)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(guò)串行通信接口SPI相連,分別配置為主機(jī)和從機(jī)。SPI總線(xiàn)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(lái)測(cè)量無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)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(jiǎn)稱(chēng)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(kāi)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(zhuān)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(guò)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,工作電流小(3 mA),噪聲低,工作溫度范圍寬(-40~+125 ℃)等。
3 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(chēng)性,無(wú)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。
(1)橫側(cè)向控制通道:無(wú)人機(jī)的橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)即無(wú)人機(jī)的滾轉(zhuǎn)和偏航運(yùn)動(dòng),主要通過(guò)副翼通道來(lái)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(wú)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(wú)人機(jī)的飛行航向;側(cè)偏距反饋僅當(dāng)無(wú)人機(jī)進(jìn)入自主導(dǎo)航時(shí)才需要接入,以控制無(wú)人機(jī)跟蹤預(yù)先設(shè)置的飛行航線(xiàn);誤差積分反饋僅僅當(dāng)無(wú)人機(jī)做定向直飛時(shí)才接入,以消除無(wú)人機(jī)左右不對(duì)稱(chēng)性等因素的影響,改善無(wú)人機(jī)航向控制的精度以及左右轉(zhuǎn)彎的對(duì)稱(chēng)性。
(2)縱向控制通道:無(wú)人機(jī)的縱向運(yùn)動(dòng)即指無(wú)人機(jī)的俯仰及升降運(yùn)動(dòng)。無(wú)人機(jī)的縱向運(yùn)動(dòng)規(guī)律是通過(guò)操縱無(wú)人機(jī)的升降舵來(lái)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(wú)人機(jī)做定高飛行時(shí)才需要接入,以穩(wěn)定無(wú)人機(jī)的飛行高度。縱向控制俯仰角通道的框圖如圖3所示。
通常可以把無(wú)人機(jī)飛行過(guò)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(pán)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(guò)相對(duì)獨(dú)立的縱向控制通道和橫側(cè)向控制通道來(lái)協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的平飛、轉(zhuǎn)彎、升降等基本飛行任務(wù)。
4 結(jié)語(yǔ)
在無(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(mǎn)足了現(xiàn)階段任務(wù)要求,還達(dá)到了良好的效果,為同類(lèi)無(wú)人機(jī)的開(kāi)發(fā)與研制提供了一套行之有效的方法。