無人機舵機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

楊林河+鄭欽丞

無人機舵機是由直流電機、舵機控制器、多個傳感器和必要的機械支撐機構(gòu)組成的一套自動控制系統(tǒng)。作為飛行控制中心和舵機之間的信息連接橋梁，它能夠通過人工在線編程，實現(xiàn)對無人飛行器多級的伺服控制，具有制作成本低、性能高、安全穩(wěn)定等優(yōu)點。文章首先對無人機舵機控制系統(tǒng)進行了簡單概述，隨后對控制系統(tǒng)中各個部分的硬件組成進行了詳細介紹，最后通過系統(tǒng)的軟件設(shè)計，對其功能的實現(xiàn)進行了分析。

【關(guān)鍵詞】無人機舵機 控制系統(tǒng) 硬件組成 軟件設(shè)計

1 無人機舵機控制系統(tǒng)概述

目前，市面上流行的舵機形狀和種類十分豐富，但是舵機內(nèi)部的主要功能模塊基本相同，其主要的組成和功能如下。

舵機控制器是整個無人機控制系統(tǒng)的中心，內(nèi)部有中央控制器、數(shù)據(jù)存儲器、驅(qū)動模塊等。中央控制器的主板是單片機，可以人工寫入語言程序，完成定向控制。通常情況下，舵機的主要運行流程是：首先，操作人員啟動單片機，并運行相應(yīng)的控制程序；單片機將程序指令以二進制信號形式發(fā)送給上位機，上位機將電信號轉(zhuǎn)化為一舵偏角指令，經(jīng)過單片機的各個數(shù)據(jù)串口，傳送到舵機的調(diào)節(jié)單元。其次，調(diào)節(jié)單元將接受到的偏角指令與PWM進行對比，將對比結(jié)果定義為A；隨后調(diào)節(jié)單元測量舵機實際轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于系統(tǒng)設(shè)定值時，將超出量定義為B；最后檢測整個系統(tǒng)的實際電流，所得結(jié)果輸出給PWM，定義為C。將上述測定結(jié)果輸入到無刷直流電機的HALL傳感器中，生成對應(yīng)的霍爾信號HA、HB、HC。最后，電機接受霍爾信號，并驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，減速器輸出驅(qū)動舵面。系統(tǒng)運作流程如圖1所示。

2 舵機控制器的硬件組成

2.1 主控芯片

主控芯片采用Atmel公司制造的COR-M3型CPU，也是目前無人機舵機控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種主控芯片，其主要特點有：

（1）采用32位集成系統(tǒng)，最高工作頻率可達72MHz，存儲容量可達512KB，數(shù)據(jù)庫內(nèi)能夠存儲海量編程語言，能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的系統(tǒng)操作。

（2）芯片自帶UART，并且設(shè)置兩個通行串口，能夠同時對不同的上位機進行操作，保證了無人機舵機控制系統(tǒng)的持續(xù)運行。另外，兩個通行串口相互獨立，便于內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳遞，提高了控制系統(tǒng)的工作效率。

（3）芯片上設(shè)置中斷源，當(dāng)舵機控制系統(tǒng)啟動報警器后，中斷源能夠及時響應(yīng)，并調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的程序質(zhì)量，處理突發(fā)問題，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

主控芯片集成了整個控制系統(tǒng)的絕大多數(shù)控制程序，能夠完成電流反饋、信息處理、編程控制等多項功能。另外，COR-M3型CPU還具有自動保存功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能夠及時生產(chǎn)故障診斷文件，并存在在數(shù)據(jù)庫中，避免今后出現(xiàn)相同的問題。

2.2 無刷電機

普通的直流電機不能將舵機的旋轉(zhuǎn)角度信息反饋給控制單元，因此也就不能實現(xiàn)對無人機舵機的有效控制。無刷電機能夠接受主控芯片的控制信號，并在一定角度內(nèi)持續(xù)轉(zhuǎn)動，為整個無人機控制系統(tǒng)提供持續(xù)的電流。本文研究所選用的無刷電機為MAXII系列的EPM-220，該器件具有工作電壓低、反應(yīng)靈敏、可在線編程等特點，能夠通過更改程序指令，實現(xiàn)對電子開關(guān)的動作控制，從而確保了整個舵機系統(tǒng)電機轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的直流電機相比，大大降低了舵機CPU的功率損耗。

2.3 功率驅(qū)動

功率驅(qū)動電路是控制電路中的主要組成部分，本次研究選用的驅(qū)動電路為MSK-401，其應(yīng)用優(yōu)勢主要有電壓負載大、輸出電流高，能夠大大簡化舵機控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)。無論是使用效率還是后期維護，都具有顯著的優(yōu)越性。另外，考慮到舵機控制系統(tǒng)運行中對電壓的輸出穩(wěn)定性要求較多，功率驅(qū)動電路還外加整流橋和穩(wěn)壓設(shè)備，能夠確保舵機控制系統(tǒng)得到持續(xù)、穩(wěn)定的電壓輸出。

2.4 信號檢測

信號實時反饋是無人機舵機控制功能發(fā)揮的重要因素，從系統(tǒng)功能上來看，舵機控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的反饋信號主要包括三類：舵面位置信號、無刷電機的電流、電機轉(zhuǎn)速。舵機主控芯片通過收集、整理三類型號，生產(chǎn)相應(yīng)的動作指令，確保了控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確無誤的完成操作指令。因此，在舵機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計過程中，必須加強內(nèi)部控制信號的檢測，一方面要提高反饋信號的精確度，另一方面則要保證信號反饋的及時性。

2.5 ADC轉(zhuǎn)換電路

舵機控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換電路中設(shè)置有4個單口雙向通道，每個ADC電路均采用集成模塊，以保證電路運行的穩(wěn)定性。四個單口雙向通道均有不同的功能，一號通道主要用于電壓信號的收集；二號通道主要用于電流信號的收集；三號通道負責(zé)對舵機控制系統(tǒng)的模擬信號進行控制；四號通道主要用于檢測電位器的實時電壓，當(dāng)瞬時電壓升高時，及時啟動保護開關(guān)，避免電路燒毀。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計是控制系統(tǒng)的重要組成部分，合理組織軟件結(jié)構(gòu)可提高可讀性、可移植性和可擴展性等問題。設(shè)計的軟件應(yīng)盡量使各個功能模塊獨立，這樣有利于系統(tǒng)軟件的修改與調(diào)試。舵機控制系統(tǒng)的軟件主要包括以下幾個功能模塊：數(shù)據(jù)采集和通信模塊、控制算法模塊、PWM產(chǎn)生模塊以及各種管理監(jiān)測模塊。其中，數(shù)據(jù)通信模塊主要涉及CAN總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，數(shù)據(jù)采集處理包括舵面位置、電機電流以及參考電壓的采集處理，PWM模塊包括輸出PWM波和獲取脈沖編碼器的讀數(shù)等。

參考文獻

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作者單位

禹州市第一高級中學(xué) 河南省禹州市 461670