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小型无人飞机控制系统的飞行控制器设计

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小型无人飞机控制系统的飞行控制器设计小型无人飞机控制系统的飞行控制器设计 ( ) Vol . 20 No . 2 第 20 卷 第 2 期郑 州 轻 工 业 学 院 学 报 自 然 科 学 版 () JOURNALO F ZHENGZHOU UNIVERSITY OF LIGHT INDU NSTatRuYral Science May 2005 2005 年 5 月 () 文章编号 :1004 - 1478 200502 - 0065 - 02 小型无人飞机控制系统的飞行控制器设计 胡博薛安国 ,吕运鹏 ,陈兴科 , () 郑州大学 物理工程学院 ,河南 ...
小型无人飞机控制系统的飞行控制器设计
小型无人飞机控制系统的飞行控制器设计 ( ) Vol . 20 No . 2 第 20 卷 第 2 期郑 州 轻 工 业 学 院 学 报 自 然 科 学 版 () JOURNALO F ZHENGZHOU UNIVERSITY OF LIGHT INDU NSTatRuYral Science May 2005 2005 年 5 月 () 文章编号 :1004 - 1478 200502 - 0065 - 02 小型无人飞机控制系统的飞行控制器设计 胡博薛安国 ,吕运鹏 ,陈兴科 , () 郑州大学 物理工程学院 ,河南 郑州 450052 摘要 :利用单片机 ,采用 PID 控制算法 ,并通过结构化设计原则 ,设计了一种能够快速进行信息处理 的无人机飞控器 ,该系统具有设计精练 、可靠性高 、开放性好等特点. 关键词 :无人飞机 ; PID 控制 ;飞行控制器 中图分类号 : TP29文献标识码 :A Design of flight control a ppliance used in minitype pilotless a ircraft XUE An2guo , LV Yun2peng , CHEN Xing2ke , HU Bo ( )College of Physics Eng . , Zhengzhou Univ . , Zhengzhou 450052 , China Abstract :A single chip flight control appliance of pilotless aircraft that can deal with message fastly is designed. Its system structure and PID control working principle are described. The system is concise ,reliable and open. Key words :pilotless aircraft ; PID control ;flight control appliance 功能是根据输入信息的含义决策输出信息 ,其输入信 0 引言 息主要是遥控接收机送来的指令信息 ,输出信息是控 随着对空气动力学 、飞行力学和自动控制方面 ) 制及遥测显示信息. 其主要功能有 : 1保持飞机按制定 认识的不断深入 ,特别是微电子技术的蓬勃发展 ,适 ) 高度稳定飞行 ; 2保持飞机按预定航线稳定飞行 ;应小型化要求的无人机自动控制设备越来越先进. ) ) 3控制飞机按给定的姿态角机动飞行 ; 4控制飞机按 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 , ) 给定的航向角飞行 ; 5控制飞机按预定程序自主飞行 ; 而且要求无人机有高的飞行速度和大的载荷以及故 ) ) 6随着速度和高度变化自动改变控制系统 ; 7采集飞 障自诊断 、故障自动返航等诸多功能. 因此 ,飞行控 ) 行状态参数 ,送至遥测发射系统 ; 8进行故障应急处 制系统成为无人机设计的关键技术. 由于无人飞机 ) 理 ; 9完成飞机开关指令功能对任务设备的控制. 其中 控制系统自身的结构比较复杂 ,并有火并系统 、导航 1 至 5 条是飞控器根据地面遥控指令切换不同控制模 系统 、电传操纵系统等其他机载设备与其关联 ,因此 态来实现的 ,6 至 8 条由飞控器自行完成. 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 2 系统结构及工作原理繁琐 ,处理速度慢. 鉴于此 ,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 ,以期克 由于俯仰/ 横滚角 、舵面位置等信号是模拟信 服上述缺点 ,提高信息处理的质量和效率. 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 1 系统功能 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 , 因此飞控 飞控器是以单片机为核心的计算机控制系统 ,其 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 收稿日期 :2004 - 12 - 24 () 作者简介 :薛安国 1970 —,男 ,河南省灵宝市人 ,郑州大学讲师 ,主要研究方向 :自动化控制. 信号 ,因此飞控器必须将控制参数以频率量的形式,采用光耦 + CMOS 光驱动方式.控制中 输出. 飞控器的构成如图 1 所示 ,图中串行通讯接口 遥控接收机送来的 6 位串行码 ,经 RS —232 串行接 () 板 ,可以采用 RS —485 或 RS —232 接口 ,主机板可以 口送到单片机 SCI 的串行发送接口RXD ,TXD,SCI 根 (选择多片 8051 系列芯片 主要解决多输入多输出问 据遥测的指令与预先存入内部存储器的遥控指令编码 1 2 ) 题,也可以选择带 D/ A ,A/ D 的具有 6 路以上输 进行对照,将与之对应的指令内容 ,送往或送出扩 () 入串口加并口的高级芯片 ,特殊离散 I/ O 板在至 展口 74HCT373 或者 TCL5628D/ A 转换电路 ,去驱动 12 舵回路中 ,采用运算放大器 + 光耦驱动方式 ,至开关 路开关通道和幅翼舵门、升降舵门及风门舵门. 图 1 飞行控制器基本组成 飞行控制器包括 4 个反馈回路 : 以垂直陀螺仪数 , 为了将上述控制规律用单片机实现 , 必须进行离构成的反馈回路构成飞行姿态稳定与控制的内回 散化 , 即以数字形式的差分方程替代连续系统的微 路 ,是飞行控制系统的核心控制回路 ,无人机的左右 分方程 , 可表示为 n 拐弯 、爬升 、俯冲飞行是由内回路给定相应参考姿态 T T dn( ) ( ) ( ) ( ) K{ e n+ e i+ [ e n- e n - 1} =)( = p n p ?角来实现的 ;以航向传感器信号作为反馈信号 ,送到 T T i n i = 0 无人机的横向控制通道上 ,构成飞行航向控制的外 n K 1 p( ) ( ) ) ( ) ( 回路 ;以高度传感器的输出信号作为反馈信号 ,送到 Ke n+ Te i+ KT[ e n- e n - 1] =p n p d ? T T i n i = 0 无人机的纵向控制通道上 ,构成飞行高度控制的外 n 1 回路 ;以 GPS 接收机接收到的无人机位置和飞行速 ( ) ( ) ( ) ( ) Ke n+ TKe i+ K[ e n- e n - 1]p n i d ? T 度信息 ,通过信息综合后 ,反馈到横向控制通道上 , n i = 0 K, T, K, K值通过仿真及实验确定. p n i d 3 . 进一步提高飞行轨迹的控制精度 3. 2 软件设计 软件设计遵循结构化设计的原则 ,采用模块化 3 软件设计 设计方法 ,使程序调试方便 ,扩充简单. 系统监控程 3. 1 PID 控制算法 序是系统主程序 , 它主要完成系统自检 、初始化操 从飞机的数学模型可知 ,飞机无论纵向还是横向 作 、系统状态一致性检验和系统控制主. 流程图 运动议程都是十分复杂的高级系统 ,但是可以将其简 如图 2 所示. 定时中断服务程序实现系统的时钟协 化为二阶惯性环节同时带有滞后时间不大的滞后环节 调以及与时钟有关的运算 、处理和控制功能 ,它是利 系统. 此时采用 PID 控制技术是一种较好的方法. 用 8051 内部的定时器 0 来实现的. 在该模块中 ,主 ( ) PID 基本算法为 : 飞控器的输出与输入 误差要完成传感器输入信号的刷新 、PID 调节运算 、信号 成正比 ,与输出的积分成正比和与输出的导数成正 采集及转换 、遥测数据编码等 ,流程图如图 3 所示.比这三个分量之和 ,其连续表达式为 测控终端程序 及 测 控 中 断 服 务 程 序 是 利 用T ( )d e t 1 8051 的外部中断 0 及外部中断 1 实现的 ,主要完成( ) ( ) e t+ e td t + TU = K dp ?d t T4 0 i 遥测码接收 、解释和发送 . PID 控制器的性能决定于 K, T, T这 3 个参 p i d () 下转第 100 页 ( ) ?100 ?郑 州 轻 工 业 学 院 学 报 自 然 科 学 版 2005 年 ( )由以上 3 个步骤可得 + ?” 取算子“ 4 结语T( ) B = W?C, C k1 1k1 k1T利用 Fuzzy 统计的方法建立了科技成果评价的 ( ) B = W?C, C, C k2 2k3 k4 k5 数学模型 ,并编出了计算机操作软件. 经实践检验 , T( ) B = C, C k3 k6 k7其操作简单 ,且结果具有更高的可信度 ,同时该方法 ( B , B , B 确定以后 , 可求出 A= W ?B , k1 k2 k3 k k1 还可延伸到其他方面的评价. 由于评价中权重的确 7 —9 T A B C D 定是一个不断比较综合的过程,因此在实际操 ) ( ) B , B = a, a, a, a, 以此可判断第 k 个成 k2 k3k k k k 作中要将数据反复磨合 ,逐步提高权重的合理性 ,使 果关于总评语级别为 A , B , C , D 的评价程度 ; 再评价更加准确和完善. T ( ) 将 A代入公式 F= 90 , 80 , 70 , 60A , 即可求得总k k k ( 分 F其中 90 , 80 , 70 , 60 分别表示自行设定的总评 k 参考文献 : ) 定级别为 A , B , C , D 的代表分值. [ 1 ] . 软科学方法M . 哈尔滨 : 黑龙江教育出版社 ,姜振寰 3 计算机操作 1994. 吴彤 ,李正风 ,曾国屏. 基础研究评价与国家目标 J . 数学模型建立后 , 可编出相应的计算机程序及 [ 2 ] [5 ] () 科学学研究 ,2002 ,20 4:343 —347. ( ) 软件, 形成科技成果评价的支持系统 见图 1. 刘作仪. 基础研究评价若干问题的认识 J . 科学学研 [ 3 ] () 究 ,2003 ,21 4:373 —377. 陈东升. Fuzzy 统计下的体育教学技能评价J . 数学的 [ 4 ] () 实践与认识 ,2004 ,34 3:25 —30. 刘瑞新 ,汪远征 ,陈东升 ,等. 二级 Visual Basic 语言程序 设计M . 北京 :机械工业出版社 ,2003. [ 5 ] 段清堂 ,李志强 ,陈东升. 应用数理统计 M . 北京 : 兵 器工业出版社 ,1999. [ 6 ] 王九云. 论知识产权保护层位的科学评价 J . 中国软 () 科学 ,2000 ,120 12:61 —64. 唐炎钊. 区域科技创新能力的模糊综合评估模型及应 [ 7 ] 图 1 科技成果评价支持系统 () 用研究J . 系统工程理论与实践 ,2004 ,24 2:37 —43. 评委只要给出各级因素的权重区间及末级因素 何宝民 ,沙基昌. 海军技术院校科研总体实力评估及管 [ 8 ] () 理研究J . 科研管理 ,2004 ,25 2:49 —52. 的评语级别 , 计算机便可自动运算出被评成果的总 得分 , 同时将所有被评成果的名称 、名次 、各项得 [ 9 ] 6 . 分 、总分统计出来 () 上接第 66 页 4 结语 该小型无人飞机控制系统的飞行控制器 ,结构 清晰合理 ,成本低廉 ,功能强大 ,易于维护 ,与传统飞 控器设备相比 ,优势明显. 参考文献 : [ 1 ] 潘新民. 微型计算机控制技术 M . 北京 : 人民邮电出 版社 ,1988. 北 [ 2 ] 何立民. MCS —51 系列单片及应用系统设计 M . 京 :北京航空航天大学出版社 ,1990. [ 3 ] 郑仲明 ,曾宪林 ,张先永. 飞机导航设备自动测试系统 () J 1 计算机自动测量与控制 ,2000 ,8 4:46 —48. [ 4 ] 涂诗美. 一种飞行器地面控制系统设计J . 计算机自 () 动测量与控制 ,2000 ,8 3:36 —38. 图 2 监控程序流程图图 3 定时中断程序流程图
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