河北国呈科技|河北国呈电子|空气质量监测|无人机应用|

AG亚游集团_亚洲直营游戏平台_AG亚游集团官网_12306

示例图片三
网站首页 > 新闻资讯 > 行业资讯

【基础】小型无人飞机控制系统的飞行控制器设计

 薛安国 无人机频道

随着对空气动力学、飞行力学和自动控制方面认识的不断深入, 特别是微电子技术的蓬勃发展, 适应小型化要求的无人机自动控制设备越来越先进。无人机任务的日趋复杂化, 对无人机性能的要求越来越高, 不仅要求飞行距离远、高度大、续航时间长,而且要求无人机有高的飞行速度和大的载荷以及故障自诊断、故障自动返航等诸多功能。


因此, 飞行控制系统成为无人机设计的关键技术。由于无人飞机控制系统自身的结构比较复杂, 并有火并系统、导航系统、电传操纵系统等其他机载设备与其关联, 因此飞行控制器的控制项目较为繁多。传统的飞控器, 使用传统配套的检测及处理设备, 自动化程度低, 操作繁琐, 处理速度慢。笔者设计了以单片机为核心的小型无人飞机控制系统飞行控制器。


系统功能


飞控器是以单片机为核心的计算机控制系统, 其功能是根据输入信息的含义决策输出信息, 其输入信息主要是遥控接收机送来的指令信息, 输出信息是控制及遥测显示信息。


其主要功能有:


1)保持飞机按制定高度稳定飞行;


2)保持飞机按预定航线稳定飞行;


3)控制飞机按给定的姿态角机动飞行;


4)控制飞机按给定的航向角飞行;


5)控制飞机按预定程序自主飞行;


6)随着速度和高度变化自动改变控制系统;


7)采集飞行状态参数, 送至遥测发射系统;


8)进行故障应急处理;


9)完成飞机开关指令功能对任务设备的控制。其中1 至5 条是飞控器根据地面控指令切换不同控制模态来实现的,6 至8 条由飞控器自行完成。


系统结构及工作原理


由于俯仰/横滚角、舵面位置等信号是模拟信号, 因此飞控器必须具有多路模拟信号的高精度采集能力.而磁航向传感器、气压高度传感器以及与GPS 和遥控遥测等外围单元的数据交换则采用了RS —232 ,RS —485 或RS —422 通信协议, 因此飞控器要具有多串口的通信能力。


同时系统要求一系列的电平输出/输入接口, 舵机接收的信号形式是频率信号, 因此飞控器必须将控制参数以频率量的形式输出。


飞控器的构成如图1 所示, 图中串行通讯接口板, 可以采用RS —485 或RS —232 接口, 主机板可以选择多片8051 系列芯片(主要解决多输入多输出问题), 也可以选择带D/A ,A/D 的具有6 路以上输入(串口加并口)的高级芯片, 特殊离散I/O 板在至舵回路中, 采用运算放大器+光耦驱动方式, 至开关飞行控制器包括4 个反馈回路:


以垂直陀螺仪构成的反馈回路构成飞行姿态稳定与控制的内回路, 是飞行控制系统的核心控制回路, 无人机的左右拐弯、爬升、俯冲飞行是由内回路给定相应参考姿态角来实现的;


以航向传感器信号作为反馈信号, 送到无人机的横向控制通道上, 构成飞行航向控制的外回路;


以高度传感器的输出信号作为反馈信号, 送到无人机的纵向控制通道上, 构成飞行高度控制的外回路;


以GPS 接收机接收到的无人机位置和飞行速度信息, 通过信息综合后, 反馈到横向控制通道上,进一步提高飞行轨迹的控制精度 。

QQ截图20161103090050.jpg

 
图1  飞行控制器基本组成


软件设计


PID 控制算法


从飞机的数学模型可知, 飞机无论纵向还是横向运动议程都是十分复杂的高级系统, 但是可以将其简化为二阶惯性环节同时带有滞后时间不大的滞后环节系统.此时采用PID 控制技术是一种较好的方法。


PID 基本算法为:飞控器的输出与输入(误差)成正比, 与输出的积分成正比和与输出的导数成正比这三个分量之和, 其连续表达式为


QQ截图20161103090058.jpg

PID 控制器的性能决定于Kp , Ti , Td 这3 个参控制中, 采用光耦+CMOS 光驱动方式。


遥控接收机送来的6 位串行码,经RS —232 串行接口送到单片机SCI 的串行发送接口(RXD, TXD), SCI 根据遥测的指令与预先存入内部存储器的遥控指令编码表进行对照 ,将与之对应的指令内容, 送往或送出扩展口74HCT373 或者TCL5628D/A 转换电路, 去驱动12路开关通道和幅翼舵门、升降舵门及风门舵门. 数, 为了将上述控制规律用单片机实现, 必须进行离散化, 即以数字形式的差分方程替代连续系统的微分方程, 可表示为:


QQ截图20161103090106.jpg 

软件设计


软件设计遵循结构化设计的原则, 采用模块化设计方法, 使程序调试方便, 扩充简单.系统监控程序是系统主程序, 它主要完成系统自检、初始化操作、系统状态一致性检验和系统控制主流程.


流程图如图2 所示.定时中断服务程序实现系统的时钟协调以及与时钟有关的运算、处理和控制功能, 它是利用8051 内部的定时器0 来实现的.在该模块中, 主要完成传感器输入信号的刷新、PID 调节运算、信号采集及转换、遥测数据编码等。(未完待续)

Powered by MetInfo 5.3.14 ©2008-2019 www.metinfo.cn