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1、控制技术 计 算 机 测 量 与 控 制 2 0 0 8 1 6(4)C o m p u t e r M e a s u r e m e n t&Co nt r o l 4 85 文章编号：1 6 7 1 4 5 9 8 2 0 0 8)0 4 0 4 8 50 3 中图分 类号：V2 4 7 1；T P 3 9 1 8 文献标识码：A 四旋翼微型飞行器控制系统设计 杨 明志，王 敏。(1 南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京2 1 0 0 1 6；2 安徽师范大 学 数学计算 机学 院，安徽 芜湖2 4 1 0 0 0)摘要：四旋翼微 型飞行器是一种以 4个电机作为动力装置，通过调节 电
2、机转速来控制 飞行的欠驱动 系统；为了实现四旋翼微 型飞行 器的 自主飞行控制，对飞行控制系统进行 了初步设计，并且 以 C 8 0 5 1 F 0 2 0单片机为计算控制单元，给 出了飞行控制系统 的硬件设计，研 究 了设计中的关键 技术；由于采用贴片封装和低功耗的元器件，使 飞行器具有重 量轻、体积小、功耗低 的优点；经过多次室 内试 验，该 硬件设计性 能可靠，能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模 态的控制要求。关键词：四旋翼微型飞行器；飞行控制系统；单片机；P WM De s i g n 0 f Fl i g ht Co n t r o l S y s t e m f o r a F0
3、 u r r o t o r M i ni Ro t o r c r a f t Ya ng M i ng z h i 。W a n g M i n 0 (1 C o l l e g e o f Au t o ma t i o n&En g i n e e r i n g，Na n j i n g Un i v e r s i t y o f Ae r o n a u t i c s a n d As t r o n a u t i c s，Na n j i n g 2 1 0 0 1 6，Ch i n a；2 C o l l e g e o f M a t h e ma t i c s a
4、n d Co mp u t e r S c i e n c e，An h u i No r ma l Un i v e r s i t y，W u h u 2 4 1 0 0 0，Ch i n a)A b s t r a c t：Th e f o u r r o t o r min i r o t o r c r a f t i s a n u n d e r a c t u a t e d s y s t e m，wh i c h i s p o we r e d b y f o u r mo t o r s a n d fl i e s b y a d j u s t in g t h e
5、 s p e e d o f t h e mo t o r s I n o r d e r t o r e a l i z e t h e a u t o n o mo u s fl i g ht c o n t r o l f o r t h e f o ur r o t o r m ini r o t or c r a f t，t h e p r e l i mi n a r y d e s ig n o f fli g h t c o n t r o l S y s t e m i s p r o p o s e d Th e h a r dwa r e o f fli g h t c
6、o n t r o l s y s t e m i s d e s i g ne d ba s e d o n s i n g l e-c h i p mi c r oc o n t r o l l e r C8 0 5 1 F0 2 0 Th e k e y t e c h n i q u e s r e l a t e d t o h a r d wa r e d e s i g n a r e d i s c us s e d Be c a u s e o f t h e p a t c h p a c k a g e a n d t h e l o w p o we r c o n s
7、 u mp t i o n o f t h e mo s t e l e me nt s，t he r o t o r c r a f t h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s ma l l v o l u me，t h e l i t t l e we i g ht a nd t h e l o w D o we r c o ns u mp t i o n Th e t e s t r e s u l t s wi t h i n d o o r s s h o w t h a t t h e h a r d wa r e
8、 s y s t e m i s r e l ia b l e a n d c a n me e t c o n t r o l r e q u i r e me n t u n d e r t h e mo d e l o f fli g h t，in c l u d i n g t a k i ng o f f，h o v e r i n g，a n d l a n d i ng a n d S O O I L Ke y wo r d s：f o u r r o t o r mi n i r o t o r c r a f t；f l i g ht c o nt r o l s y s t
9、 e m；s i n g l e-c hi p m i c r o c o n t r o l l e r t PW M 0 引 言 由于微型飞行器在军事和 民用领 域具有广 阔的应 用前 景，近年来，众 多的科 学家致 力于微型飞行器的研究。本文从四旋 翼微型飞行器的机型特点和实 际需要 出发，结 合 C 8 0 5 1 F单片 机的优越性能，以 C 8 0 5 1 F 0 2 0单 片 机为计 算控 制单 元，设 计 了四旋翼微型飞行器飞行控制系统的硬件。该系统体积小、重 量轻、功耗低，且结构 简单、价 格低 廉，并 能 以此 为 硬件 平 台，研究各种复杂控制方法。C 8 0 5 1 F
10、 0 2 0是 C y g n a l 公 司开发 的工 业级 全集 成 混合 信号 片上系统单 片 机口 ，具 有 与 MC S一5 1内核 及 指 令 集兼 容 的 C I P 一5 1内核(运算速 度 高达 2 5兆指令 秒)；C 8 0 5 1 F 0 2 0具 有片 内调试 电路，通过 J T A G 接 I：l，可 以进行 非 侵入 式、全 速、在系统调 试；C 8 0 5 1 F 0 2 0的 片 内资源 包括：6 4个通 用数 字 i o端 口、6 4 KB F l a s h存储器、4 3 5 2 B RA M、8通道 1 2位 和 8通道 1 O位 1 0 0 k s p
11、s 的 A D转换器、2个 1 2位 DA转换器、2个模 拟 量 比较 器、5个 通 用 定 时 器 和 可编 程 计 数 器 阵 列(P C A)。另外 它还 具有 外 部数 据存 储 器接 口(E D MI)、S M B u s I C总线、S P I 总 线、2路 UAR T 总线、片 内 电源 监视、片内温度监视、片 内看 门狗定时器和 片内时钟源等。这些外设 的高度集成，为设计体积小、功耗低、性能好的单片机应用 系 统提供 了方便，可降低系统 的整体成本。收稿 日期：2 0 0 7 0 6 0 2；修 回日期：2 0 0 7 0 7 1 2。作者简介：杨明志(1 9 7 8一)，男，
12、安徽芜湖人，硕 士研究 生，助理工程 师，主要从事无人直升机先进控制理论及应用方向的研究。1 设计和功能 1 1 控 制系统设计 典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾浆。但也 存 在其他类型 的直升机，如双转轴或 串列式直升机，同轴直升机 等。他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制 直 升机的姿态和位置。而 四旋翼微型飞行器与此不同，是 通过 调 节 4个电机转速来改变螺旋桨速度，实现升力的变化，从而控 制 飞行器 的姿态 和位 置。四旋翼 微型飞 行器没有 自动倾斜器。其整机升力 由 4个 电机提供。由于飞行器是通过改变螺旋桨速 度实现升力变化，这样会导致其动力不稳定，所以需要
13、一种能 够确保长期稳定 的控制方法。四旋翼微 型飞行器是一种六 自由度 的垂直起降机，因此非 常适合静态 和准静态 条件下 飞行；但是，四旋翼 直升机只有 4 个输入力，同时却有 6 个 输 出，所 以它又是 一种欠 驱动系统。图 1 为 四旋 翼微 型飞 行器 的结 构俯 视图 2 。与传 统直 升机 相 比，该 飞行器有下列优势：侧 面电机 1、3 顺 时针旋转 的同时，前 后电机 2、4逆时针旋 转，因此 当飞行器平 衡飞 行时，陀螺 效应和空气动力扭矩效应均被抵消 J。图 1 四旋翼微型飞行器的结构俯视图 中 华 测 控 网 c h i n a mc a c om 维普资讯 http:
14、/ 4 8 6 计算机测量与控制 第 1 6卷 飞行器在三维空 间中具有 6个运 动 自由度 包括 3个坐标 轴方向的线运动和 3个坐标轴方向的角运动。上下 的平移运动 是通过 4 个 电机同时增速(减速)得 到的，当 4个电机 的升力 之和等于飞行器的 自重时，飞行器便保持悬停。水平面内的前 后运动是电机 1、2增速(减速)的同时 电机 3、4减速(增 速)，此时保持旋翼 1、3对机身 的反扭 矩等于旋 翼 2、4对 机 身 的反扭矩，在电机 1、2与电机 3、4的升力之差作用下机身 发生倾斜，得 到水平 面内 的前后运 动。俯 仰运 动是通 过 电机 1、3转速保持不 变，电机 2增 速(
15、减速)的 同时，电机 4减 速(增速)得到的。以类似的方法，滚转运动是通过改变电机 1、3转速得到 的。偏 航运 动 是 电机 1、3增速(减速)的 同 时，电机 2、4减速(增速)，此时旋翼 1、3对机 身 的反扭 矩 大 于(小于)旋翼 2、4对机 身的反扭矩，机 身便 在多余扭 矩 的作用下得 到偏航运动。组合 以上 的基本运动可 以实现四旋 翼微型飞行器的各种复杂运动。1 2 主要功能和总体设计 飞行控制器 的主要功能如下：1)提供多个通 信信道，使 飞行 器与 陀螺 仪、磁航 向计、高度计、导航 系统、地面测控 系统通信；2)提供足够的存储空间，以满足复杂控制软件的实现；3)检测飞行
16、器的状态量，包括高度、速度、航 向、姿态等；4)通过 R S 2 3 2串行接 口与地面测控系统通讯，一方面获取地 面的控制信号 另一方面将飞行器的状态信息回传给地面；5)飞行器能工作在手动 自主 的切换模式。由于四旋翼微型飞行器体 积小、重量轻，在飞行 中易受外 界环境干扰发生飞行事故 在设计 中通过地面测控 系统，使飞 行控制模式能在手动 自主方式 自由切换。在手动模 式时，飞 行器完全由操纵者人工控制；在 自主模式时 飞行器按照给定 任务 自动控制 电机完 成。图 2为 四旋 翼微 型飞行器 的总 体设 计。图 2 四旋翼微 型飞行器总体设计图 2系统 硬 件设 计 基于四旋翼微型飞行器
17、体积小、重量轻、功耗低的特点。飞 行控制器 的设计以 C 8 0 5 1 F 0 2 0单片机为核心。并且挑选材料时，尽可能选用贴片封装的电阻、电容及元器件，使整机重量减轻 尽可能选用低功耗的 C M O S元器件，使整机功耗降低。2 1 外 部 RAM 扩展 C 8 0 5 1 F 0 2 0只有 4 3 5 2 B R AM(4 K B片上 R AM+2 5 6 B核 内 R AM)，可能不能满足 复杂控制软件的实现，因此采用 3 2 K 8的 S R AM 芯片 I S 6 2 C 2 5 6 使存储空间扩展 了 3 2 K B 硬 件 原理如图 3。中 华 测 控 网 c h i n
18、a mc a C O In C8 O 5l FO 2 O CE p5 7 I S 6 2 C25 6 RD、wR oE、W E p 7 O 叫 P 7 7 、I I：D 0 D 7 P 5 0-P 5 6、P 6 P 6 A 0 A I 4 I 厂I I TL1 6 C7 5 4 DO-D7 A0 A2 TXA 嘞 CSA C S D pl 6、p1 7 一 RXA哪 n|NTD P2 1、P 2 0 l 0R、OW 图 3 外部 R AM 扩展及串口通讯扩展电路 2 2串 口通信 扩展 C 8 0 5 1 F 0 2 0只有 2个增 强型 UA R T异 步串行 接 口，不能 满足多 路 串
19、行 通 信 的需 要。TI 公 司 的 专 用 串 口扩 展 芯 片 TI 1 6 C 7 5 4波特率高达 3 Mb p s，带有 4个异步通讯单元，扩展 的子串口工作波特率可以不一致，收发数据都可以工作在先人 先 出(F I F O)方式 ，因此能提高 系统效率，降低软 件消耗。图 3为 串口扩展 的硬件原理图，将地址线 配置在单 片机的 P 5、P 6端 口，数据线配置在 P 7端口，采用单 片 TL 1 6 C 7 5 4扩展 了 4 路 R$2 3 2串行接 口。2 3 P wM 信号隔离电路 由于飞行器 的电机在转 动过程 中会产 生 比较 大的 冲击 电 流，为了提高 飞行控 制
20、系统 的可靠性，需 要对 C 8 0 5 1 F 0 2 0单 片机输 出的脉宽调制(P WM)信号进 行隔离。整机选 用锂 电 池供电，光电耦合器进行信号隔离时，工作 电流大，锂 电池供 电能 力无法满足要求，而且需要大量 的 电阻、电容配 合工作，不利于电路板体 积小、重量 轻、功耗 低 的要 求。A DI 公 司的 i C o u p l e r 系列数字隔离 器将 C MOS与芯 片级 变压 器技 术相结 合，大大降低 了 电路板 的体 积和 功耗。如 图 4，数 字 隔离器 AD u M1 4 0 0实现 了 4路 P WM 信号的隔离。Vc c DVC C 图 4 电机隔离电路 2
21、 4 高度传感器接 口电路 飞行器高度 的测量选 用体积小、重量 轻的 S R F 0 8声纳 高 度计。S R F 0 8通过标准的 I C总线输 出高度信号。C 8 0 5 1 F 0 2 0 的串行 口 S MB u s 与 I C串行 总线 完全兼容，S MB u s总线通过 时钟线 S C I 和数据 线 S D A 实 现同 步 串行 接 收 和发送。因为 S MB u s 总线 接口为漏极开路输出，所 以 S C L线 和 S D A线必须 通过上拉电阻连接到正电源上。3 系统设计中的关键技术 3 1 P WM 信 号 的 实现 在 C 8 0 5 1 F 0 2 0中有一个比一
22、般 的计 数 定 时器功能更强 的 维普资讯 http:/ 塑 杨明志，等：四旋翼微型飞行器控制系统设计 4 8 7 可编程计数器阵列(P C A)，需要较 少的 C P U干预。P C A由 1 个专用 的 1 6位计数 定 时器和 5个 1 6位捕 捉 比较 模块 组成，每个捕捉 比较模块都有 自己的 I 0线即 C E X n，可通过交叉 开关 配置到相应 的 I O 引脚。专用 的计 数 定时器 可被 6 种 不 同的时钟源所驱动，这 6种时钟源是：定 时器 0溢 出，E C I 线 上的外部 时钟 信 号，S Y S C I K一 系统 时钟，S Y S C L K 4，S Y S
23、C L K 1 2，外部振荡器时钟 8分 频。每个捕 捉 比较模 块可独 立工作于边沿触发 捕捉、软件 定时、高 速输 出、频率输 出、8 位脉宽调制(P WM)和 1 6 位 P WM 中的任意一种工作方式。飞行器的 4个无刷 直流电机 由信号周期 为 2 0 ms P WM 信 号控制。P WM 由 P C A的前 4个捕 捉 比较模 块产 生，选 择捕 捉 比较 模块 工作 于 高速 输 出方 式，通 过 交 叉开 关 把 C E X 0、C E X 1、C E X 2、C E X3分 别 配 置 到 P 1 2、P 1 3、P1 4、P 1 5 端口。P CA的时钟源选择外部振荡器 8
24、分频。C 8 0 5 I F 0 2 0单 片机可实现高精度 的 P WM 输出，但 输出 的最 大 电压 VD D 为 3 3 V，而 电机所需 电压为 5 V，要 将端 口引脚设 置为 推挽输 出 方式并将输出端通过一个上拉电阻接 到 5 V 电源，单 片机 的逻 辑“1”输 出将被 提升到 5 V。在高速输 出方式下，每 当 P C A的计数器(P C AO H L)与 捕捉 比较寄存器(P C AO C P Hn L n)发生匹配时，C E Xn引 脚上 的逻辑 电平将发生改变，同时触发一次 中断。在上升沿状 态，将 P WM 高电平 计数 值装 入 P C A OC P Hn L n
25、中；在下 降 沿状态，将 O x O 0 0 0装 入 P C A 0C P Hn L n中，在 C E X n引脚 上 便得 到 1 6 位 P WM。比如，对于电机 1：Vo i d PeA_I S R(v o i d)int e r r up t 9 i f(CCF0)C C F 0 0；清除 比较标志 i f(PW M M o t o r l 0UT)处理上升沿，设置 P WM 的下一个匹配值 PCAO CPL0=(0 x ff P W MM o t o r 1)；PCAO CPH0=(0 x f f(P W MM o t o r l 8)；e l s e 处理下 降沿，设置 P WM
26、 的下一个 匹配值 0 PCAO CPI o=o；PCAO CPH0=0：j f(CCF1)占空 比一P wM 6 5 5 3 6，改 变 P WM 值 就可 以改变 占空比，实现 电机转速 的调节，从而改变 飞行器 的姿态 和位 置。3 2存 储 空 间和 l o 空 间 的地 址分 配 C 8 0 5 1 F 0 2 0是单片机结构的片上系统，内部 2 5 6个单 元的 R AM 和寄存器单独 编址，片上 4 KB R AM、外部 扩 展存储 器 及 I O空 间 采 用统 一 编 址 的 方 式，因此 必 须 合 理 设 计 片 上 R AM、外部扩展 S R AM 和 I 0 的空 间
27、分 配。如 图 3，地址 信 号 A1 5(P 5 7)经过反相器 4 0 6 9输入 给外 扩 S RA M，A1 5经 过 3 8译码器 输入 给 串 口扩展 芯片，实 现空 间地址 的分 离。译 码 电 路 实 现 如 图 5。广 一V C C l l l l 2 2 l 3 3 E l E 2A 14 g 厂 暮 Y O Yl Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 l 5 l 4 l 3 l 2 I l l O 9 7 。一嗍 存储空 间和 I 0空间地址分配如表 1。设计 的地址译码电 路 实现简单，不仅 把外部 S RA M 和 片上 R AM 分开，而且 各 个 扩展 串 口的空间
28、也相互独立。表 1 存储空间和 I 0空间地址分配 片上 RA M o H一0 F F F H；UARTO 4 0 0 0 H 一 4 0 0 7 H；U ART1 4 8 0 0 H 一 4 8 0 7 H；U ART2 5 0 0 0 H 一 5 0 0 7 H；UART3 5 8 0 0 H 一 5 8 0 7 H；外部扩展 S RAM 8 0 0 0 HF F F F H；3 3 单片机与外设的时序匹配 外扩存 储器 I S 6 2 C 2 5 6、串 口扩展 芯 片 TL 1 6 C 7 5 4通过 总 线 与 C 8 0 5 1 F 0 2 0互连进行数 据 交换 时，时序 匹配是
29、 数据 可靠 传输的保证。由于 I S 6 2 C 2 5 6和 TL 1 6 C 7 5 4同处 于 C 8 0 5 1 F 0 2 0 的外部总线上，所以两个必须同时满足。可通过研究两者的时 序并对单 片机进 行相应设 置加以解 决。如，外部振荡器配置为 2 2 1 1 8 4 MHz 晶振，系统 时钟选 择 外部振 荡器，并且 采 取不 分频方式。I S 6 2 C 2 5 6时序 配置要 求：地 址信 号的 建立 和保存 都至少 2 5 n s 和 3 5 n s，读写脉 冲宽度至少 4 5 n s。通过设置单 片机的外部存储 器时 序 控制 寄存 器(E MI OT C)为 0 x
30、4 5，使 两者时序达到最佳匹配状态。3 4 整机供 电与功 耗的考虑 整机选用能量密度 高、重量轻 的 1 2 V锂 电池供 电，由于 锂 电池 电量有 限，所 以能耗 是衡 量控 制器性 能 的一项 重要指 标。在信号匹配的前提下尽量选用低功耗 的 C MO S芯片，降低 系统总功耗。1 2 V给 4 个无刷直流 电机和磁航向计供电。1 2 V 电源经过稳压块 MC 7 8 0 9 C T和 MC 7 8 0 5 T变换成 9 V和 5 V，给 传感器 和元器件供 电。利用 TI 公司的稳压块 T P S 7 3 3 3 Q把 V C C 图 6 C 8 o 5 1 F O 2 O工作电压
31、的转换(下转第 4 9 0页)中华 测控 网 c hi n a mc a、c om l 8 O l 一2 3 ；维普资讯 http:/ 4 9 0 计算机测量与控制 第 1 6卷：高 GJ 0：I l I I 一。：!：!l i 图 6 前置反馈解耦控制结构框图 l 4 8 图 7 前置反馈解耦控制仿真模 型 由 G(5)一 G l(5)+G 2(5)其 中 G l(5)、G 2()分 别表示为：g gl 1()0 G。c 一J：l r 0 g1 2()G 2(z )一?：“l：l g l(一 )g 2()令解耦 目标矩阵 G ()G ()，(1 3)可求得补偿解耦矩 阵 D()为：0 0 I
32、 1(1 2)g (z-)l g1(一 )_ I)0 l 由式子(1 0)t s 图 8 解耦后 的张 力一速度仿真波形图 D H，(Z I)一厂 g u g (1 4)1 0 (i)若不考虑控制矩阵 C()的作用，要使系 统解耦，只需 G (-1)为对角矩 阵或对 角 占优 矩阵，即可实现系统完全解耦或部分解耦。6 仿真结果及分析 通过 多 次 实 验 得 到 系 统 传 递 函数 矩 阵 G ()，并 由(1 4)式 求 出 补 偿 解 耦 矩 阵 D，()，然后用 Ma t l a b在 S i mu l i n k环境 中进行仿 真，仿真模 型连接如 图 7所示，通过仿 真得到 的 输
33、出波形图如图 8所示。其 中输入 U ()一U。()一 5 6 4 V，UG l()一U2()一7 9 8 V，L，G 2(k)=U。()一5 8 2 V，此 时各 个输 出变 量 的大 小为：F =6 3 4 k N，Fv 一 8 2 1 k N，NG l 一4 5 8 r mi n。由图 可 以 看出控制系统能在较快 的时间 内达 到稳定，且和 解耦前的仿真波形相比，张力一速度之间的耦合 程度大大 降低，基 本 上能满 足系 统 的精 度要 求，达到 了改善系统控制效果。7 结论 本文在对凹印机张力控制系统进行 建模 的基础上，并针对 模型 中张力一速度之间 的强耦合，对张力控制系统采取了
34、前置 的反馈解耦控 制算 法，仿真结果表明该方法能基本消除张力 一 速度的强耦合，改善系统的动态性 能，提高系统的鲁棒性。参考文献：1 贺建军板带 钢平整 机张 力一速 度解耦 控 制 E J 控 制 与决策，2 0 0 3，1 8(5)：5 2 2 5 2 6 2 陈伯时电力拖动 自动控 制系统(第 3版)M 北京：机械工业 出版社，2 0 0 4 3 胡 晖多 变 量 反 馈 解 耦 控 制 系 统 研 究 J 控 制 工 程，2 0 0 4 1 1(6)：5 0 0 5 02 (上接第 4 8 7页)(5 V)转 化成 C 8 0 5 1 F 0 2 0单 片 机工作 的数字 电源 VD
35、 D(3 3 V)和模拟 电源 AV4-(3 3 V)，如图 6 所示。4结 束 语 利用 C 8 0 5 1 F 0 2 0 单 片机的优越性能，使设计 的四旋翼微型 飞行器具有体积小、重量 轻、功耗低 的特点。经过 多次室 内试 验，该硬件性能稳定，能满 足飞行器起飞、悬停、降落等飞行 模态的控制要求。该硬件也可作为复杂控制方 法的开发平 台。中华 测 控 网 ch i na mc a c om 参考文献：1 鲍可进C 8 0 5 1 F 0 2 0单 片机原理及 应用 M北京：中国电力 版社，2 0 0 6 2 Mc Ke r r o w P Mo d e li n g t h e D
36、r a g o n fl y e r F o u r R o t o r He l i c o p t e r ：J I E E E T r a n s o n R o b o t i c s a n d Au t o ma t i o n 2 0 0 4：3 5 9 6 3 6 0 1 3 B o u a b d a l l a h S，Mu r r i e r i P，S i e g wa r t RD e s ig n a n d c o n t r o l o f a n i n d o o r mi c r o q u a d r o t o r口 I E E E T r a n s o n Ro b o t i c s a n d Au t o ma t i o n，2 0 0 4：4 3 9 3 4 3 9 8 4 T L 1 6 C 7 5 4 Qu a d u a r t Wi t h 6 4一B y t e F I F O z T e x a s I n s t r u me n t s I n c o r p o r a t e d，1 9 9 9 维普资讯 http:/