基于AVR單片機(jī)的UAV飛行控制系統(tǒng)

郭 楊， 翁新武

0 引 言

無(wú)人機(jī)在軍民兩用領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，進(jìn)行民用無(wú)人機(jī)飛行控制器設(shè)計(jì)及檢測(cè)與控制技術(shù)研究具有理論、工程和經(jīng)濟(jì)意義。文中主要任務(wù)是設(shè)計(jì)出無(wú)人機(jī)飛行控制器軟硬件系統(tǒng)，并研究相應(yīng)的控制方法，使飛機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)遙控飛行和自動(dòng)駕駛飛行。

1 飛控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

飛控系統(tǒng)的工作原理［1］如圖1所示。

飛機(jī)偏離原始狀態(tài)，敏感元件感受到偏離方向和大小，并輸出相應(yīng)信號(hào)，經(jīng)放大、計(jì)算處理，操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如舵機(jī)），使控制面（如方向舵面）相應(yīng)偏轉(zhuǎn)［2］。由于整個(gè)系統(tǒng)是按負(fù)反饋原則連接的，其結(jié)果是使飛機(jī)趨向原始狀態(tài)。在傳統(tǒng)的飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)中，描述飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的參數(shù)有3個(gè)姿態(tài)角、3個(gè)角速度、2個(gè)氣流角、2個(gè)線位移及1個(gè)線速度。在無(wú)人參與條件下，飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)可自動(dòng)控制部分或全部上述參數(shù)。與其它自動(dòng)控制一樣，飛行自動(dòng)控制系統(tǒng)也由被控對(duì)象（飛機(jī)）和自動(dòng)控制器組成。飛控系統(tǒng)的基本部分包括:測(cè)量元件、信號(hào)處理元件、放大元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖1 飛控系統(tǒng)原理圖

本設(shè)計(jì)中的無(wú)人機(jī)用于航空攝像，整個(gè)無(wú)人機(jī)的電子裝置分為地面和機(jī)載兩大部分:地面設(shè)備包括地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、控制手柄和視頻接收模塊、視頻采集模塊；機(jī)載電子設(shè)備有飛行控制器、GPS儀、高度計(jì)、姿態(tài)儀、陀螺儀、電壓電流檢測(cè)模塊、字符疊加模塊、無(wú)線視頻發(fā)射模塊、攝像鏡頭、遙控接收機(jī)及電調(diào)和舵機(jī)。無(wú)人機(jī)的總體測(cè)控方案如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)的總體測(cè)控方案

地面部分。控制人員可以根據(jù)接收到的視頻信號(hào)及疊加在視頻上的飛機(jī)飛行參數(shù)，操縱遙控手柄實(shí)時(shí)控制飛機(jī)飛行，也可以向飛機(jī)發(fā)送自動(dòng)駕駛飛行，讓飛機(jī)按照事先設(shè)定好的航線飛行。

機(jī)載部分。飛行控制器用來(lái)檢測(cè)當(dāng)期飛行狀態(tài)、控制飛機(jī)飛行、保持飛機(jī)平穩(wěn)、攝像鏡頭視角變化等，飛機(jī)可根據(jù)手動(dòng)或自動(dòng)駕駛命令來(lái)執(zhí)行被動(dòng)飛行或自動(dòng)飛行，字符疊加模塊可將當(dāng)前飛機(jī)的飛行參數(shù)疊加到視頻信號(hào)上，經(jīng)無(wú)線視頻發(fā)射模塊發(fā)送回地面控制站。

機(jī)載無(wú)線電模塊用來(lái)接收GPS信息，并和地面的數(shù)據(jù)傳輸裝置構(gòu)成無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈路，實(shí)現(xiàn)圖像信息的回傳和遙控器控制信號(hào)的傳輸；地面監(jiān)控站是無(wú)人機(jī)地面監(jiān)視與控制的主要設(shè)備，接收從遙控器傳來(lái)的手動(dòng)控制和自動(dòng)駕駛指令，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路上行發(fā)送給飛機(jī)，同時(shí)，接收飛機(jī)回傳的遙測(cè)信息，實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 飛控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)的飛行控制計(jì)算機(jī)是無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的核心［3］，它主要用于完成以下數(shù)據(jù)處理任務(wù):

1）與氣壓高度傳感器進(jìn)行模擬串口（SPI）通信，讀取氣壓高度傳感器采集到的氣壓值，并將其經(jīng)過(guò)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成飛行需要的海拔高度值和溫度值；

2）與GPS模塊進(jìn)行串口通信，讀取GPS模塊接收到的方位信息，并將其經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，解析出飛行需要的速度值、方向值、參考高度值、時(shí)間值、經(jīng)緯度值、GPS衛(wèi)星個(gè)數(shù)值等；

3）用單片機(jī)內(nèi)部A／D功能，采樣三軸加速度傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)，經(jīng)軟件濾波、數(shù)學(xué)運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成飛機(jī)當(dāng)前的飛機(jī)狀態(tài)值，并根據(jù)當(dāng)前飛機(jī)狀態(tài)，用PID方式控制飛機(jī)飛行平穩(wěn)；

4）用單片機(jī)的內(nèi)部A／D功能，采樣角速度傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)，經(jīng)軟件濾波、數(shù)學(xué)運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成飛機(jī)當(dāng)前繞某軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，在經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后，便可消除外界對(duì)飛機(jī)的擾動(dòng)；

5）用單片機(jī)內(nèi)部A／D功能，采樣電流傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)，經(jīng)軟件濾波和數(shù)學(xué)運(yùn)算后，轉(zhuǎn)換成飛機(jī)某時(shí)刻的平均電流值和飛機(jī)當(dāng)前耗電量；

6）與字符疊加器進(jìn)行模擬串口（SPI）通信，將需要發(fā)回地面接收站的信息疊加在視頻信號(hào)上，并設(shè)計(jì)自創(chuàng)字符、畫面樣式及顯示菜單。

2.1 主控芯片

由ATMEGA16L構(gòu)成的單片機(jī)最小系統(tǒng)［4］如圖3所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 外圍接口電路設(shè)計(jì)

2.2.1 氣壓高度傳感器接口電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用壓力傳感器MS5534B實(shí)現(xiàn)高度傳感器的設(shè)計(jì)方案，如圖4所示。

圖4 MS5534B接口電路設(shè)計(jì)

MS5534B通過(guò)3線同步串口與單片機(jī)進(jìn)行SPI通信。

2.2.2 GPS模塊接口電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用HOLUX GM-210智能型衛(wèi)星接收機(jī)作為GPS模塊，采用RS-232串行通信方式讀取GPS數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 GPS模塊與單片機(jī)接口電路

2.2.3 三軸加速度傳感器接口電路設(shè)計(jì)［5］

飛行姿態(tài)儀是飛機(jī)自動(dòng)飛行時(shí)保持飛機(jī)平穩(wěn)的前提，本設(shè)計(jì)采用低量程三軸向加速度傳感器MMA7260QT，接口電路如圖6所示。

圖6 MMA7260Q與單片機(jī)接口電路

2.2.4 角速度傳感器接口電路設(shè)計(jì)［6］

本設(shè)計(jì)采用角速度傳感器ENC-03，由于ENC-03傳感器輸出電壓的靈敏度只有0.67mV／（°），所以，ENC-03輸出的信號(hào)須經(jīng)一前置放大電路放大后再輸入到單片機(jī)AD采樣通道，如圖7所示。

圖7 ENC-03的前置放大電路

2.2.5 電流傳感器接口電路設(shè)計(jì)

飛機(jī)飛行已用電量可通過(guò)電流傳感器測(cè)得，用電流傳感器測(cè)得單位時(shí)間內(nèi)的平均電流，然后乘以單位時(shí)間系數(shù)便可得電量，電量單位可用mA／h表示。本設(shè)計(jì)采用CS754電流傳感器，如圖8所示。

圖8 ACS754接口電路

2.2.6 字符疊加器接口電路設(shè)計(jì)

飛機(jī)飛行的參數(shù)欲傳回到地面監(jiān)控站，可通過(guò)將飛行參數(shù)疊加在視頻信號(hào)上，這樣就可以和視頻信號(hào)共用一個(gè)數(shù)據(jù)通道，能省去數(shù)字發(fā)射設(shè)備，減輕飛機(jī)負(fù)載。字符疊加器采用MAX7456單通道隨屏顯示（OSD）發(fā)生器，它可在動(dòng)態(tài)視頻上疊加定制圖形。MAX7456接口電路如圖9所示。

圖9 MAX7456接口電路設(shè)計(jì)

2.2.7 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用＋5V和＋3.3V兩種電壓標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)電源采用航模飛機(jī)專用鋰電池，3S鋰電池電壓為＋12V，如圖10所示。

圖10 7805構(gòu)成的＋5V穩(wěn)壓電路

經(jīng)穩(wěn)壓芯片7805輸出＋5V，＋5V電壓可以為單片機(jī)、GPS模塊、電流傳感器及字符疊加器供電；輸出的＋5V電壓再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片ASM1117＿3.3V后便可得到系統(tǒng)需要的＋3.3V電壓，＋3.3V電壓可以為氣壓高度傳感器及三軸加速度傳感器供電，如圖11所示。

圖11 由ASM1117＿3.3V構(gòu)成的＋3.3V穩(wěn)壓電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

按照無(wú)人機(jī)飛行需要的參數(shù)條件，可將程序分成14個(gè)模塊，分別為GPS信息搜集模塊、飛行時(shí)間模塊、方向指示模塊、高度指示模塊、速度指示模塊、經(jīng)緯度顯示模塊、回航方向指示模塊、姿態(tài)保持模塊、平穩(wěn)飛行模塊、自動(dòng)導(dǎo)航模塊、手動(dòng)控制模塊、電量顯示模塊、字符疊加模塊、按鍵設(shè)置模塊。主程序在整個(gè)系統(tǒng)中起初始化各個(gè)模塊、協(xié)調(diào)各個(gè)模塊工作順序、分配任務(wù)的作用。主程序流程如圖12所示。

圖12 主程序流程

軟件系統(tǒng)不采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而是按階層體系結(jié)構(gòu)組織子程序模塊［7］。飛行控制器的運(yùn)行有3種模式:飛控模式、檢測(cè)模式和調(diào)參模式。飛控模式是指正常的飛機(jī)飛行與控制模式，接收器接收到控制器發(fā)射指令后，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的手動(dòng)飛行控制、自動(dòng)駕駛、攝像鏡頭控制。檢測(cè)模式是指飛機(jī)在飛行時(shí)自動(dòng)檢測(cè)傳感器傳回的飛行參數(shù)，為調(diào)參模式做好數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備。調(diào)參模式是指飛行器根據(jù)檢測(cè)到的各種參數(shù)進(jìn)行調(diào)整飛機(jī)飛行方式的模式。

系統(tǒng)一上電，系統(tǒng)硬件上電復(fù)位，程序從首地址開始執(zhí)行。首先執(zhí)行程序初始化，這包括單片機(jī)I／O端口設(shè)置、串口通信波特率設(shè)置、ADC工作模式設(shè)置、定時(shí)器工作方式設(shè)置，以及字符疊加器初始化設(shè)置等；接著檢測(cè)是否有按鍵按下，如果有則執(zhí)行相應(yīng)的按鍵子程序；然后就讀取傳感器測(cè)得的各種飛機(jī)飛行參數(shù)，這其中包括速度、高度、方向、經(jīng)緯度、飛機(jī)姿態(tài)，以及電池的電壓、電流、耗電量等，并將這些飛機(jī)飛行的參數(shù)疊加到視頻畫面相應(yīng)的位置；而陀螺儀則一直工作，它根據(jù)測(cè)得的飛機(jī)角速度來(lái)自動(dòng)矯正飛機(jī)飛行；飛機(jī)的耗電量可由按鍵設(shè)定一用電量最大值，若電池耗電量大于設(shè)定值時(shí)，則產(chǎn)生報(bào)警提示信號(hào)；最后，飛機(jī)根據(jù)接收機(jī)的手動(dòng)自動(dòng)駕駛信號(hào)來(lái)判讀飛機(jī)當(dāng)前是處于哪種狀態(tài)，若接收到手動(dòng)駕駛信號(hào)，飛機(jī)則根據(jù)接收機(jī)上的信號(hào)控制飛機(jī)飛行，若接收到的是自動(dòng)駕駛信號(hào)，飛機(jī)則根據(jù)各傳感器測(cè)得的飛機(jī)參數(shù)來(lái)自動(dòng)控制飛機(jī)飛行，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的航線自動(dòng)飛行［8］。其部分程序代碼如下:

void main（void）／／主函數(shù)

｛

INIT＿ALL（）；／／程序初始化

While（1）

｛

KEY＿SET（）；／／按鍵掃描

if（time＿OSD）

｛／／1s讀采集一次數(shù)據(jù)，并刷新一次OSD

su＿d（）；／／當(dāng)前時(shí)速

gao＿d（）；／／當(dāng)前高度

相比日本和韓國(guó)，同樣作為中國(guó)的鄰居，國(guó)人對(duì)印度這個(gè)國(guó)家卻始終顯得有些陌生，神秘，宗教是對(duì)它的印象，說(shuō)到美食，遠(yuǎn)不如對(duì)日韓美食那樣如數(shù)家珍。頓頓吃咖喱？吃飯直接用手？印度愛吃米飯還是面食？素食國(guó)度，不能吃肉？各種各樣的局限印象和疑問，使得游客無(wú)法好好審視一下印度的食物。

display＿JWD（）；／／經(jīng)緯度顯示

juli＿h(yuǎn)（）；／／離家距離

fang＿x（）；／／東西南北方向指示

time＿count（time＿m，time＿s）；／／調(diào)用計(jì)時(shí)顯示子程序

real＿time（）；／／真實(shí)時(shí)間

xin＿h(yuǎn)（）；／／信號(hào)強(qiáng)度指示

dian＿l（）；／／當(dāng)期電流

hao＿d（）；／／耗電量指示

｝

if（dianlian＜＝dianlian＿low）goback（）；

／／電量低于警戒值，則返回

else auto（）；／／自動(dòng)駕駛

｝

｝

［1］ 袁少?gòu)?qiáng)，胡金輝.基于ATmega128單片機(jī)的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2007，26（2）:44-45.

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