基于STC单片机的无人机飞控系统设计

www.ChinaECD.net 2006.10 Vol.8 No.10 Oct 2006 第8卷 第10期 2006年10月 0 引言 无人驾驶飞机是指具有远程遥控或自主飞行 能力,能够携带诸如照相机、通讯设备以及其它 任务载荷的无人航空飞行器。它在勘测和侦察领 域扮演着重要的角色。小型无人机除了具有无人 机的所有优点外,还因其特殊的灵活性和机动性 得到了众多行业的广泛关注。自动驾驶仪作为无 人机飞行系统的关键子系统也随着航空技术的发 展以及对无人机越来越广泛的需求,而向着高精 度、小型化、数字化的方向发展。受体积与重量 的限制,所有小型无人机机载电子设备的尺寸及 安装空间都必须小而紧凑。相对有人机而言,其 电磁环境要复杂得多。这些都无疑对无人机的飞 行控制系统设计提出了更高的要求。 本文正是基于上述问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,提出了一种以 STC12C5410AD型处理器为核心,以红外线温度 传感器、GPS等为主要器件的自动驾驶仪的设计 思路。 1 系统结构与组成 该自动驾驶仪主要由3个单元组成:一是微 处理器单元;二是空气数据传感器,即红外温度 传感器单元;三是GPS单元。微处理器作为数据 处理和飞行控制的核心,既要具有一定的数字信 号处理能力,又要求体积小。因此,本设计选用 性价比较高的STC12C5410AD型微处理器。该处 理器可通过其串行口和专用PWM输出口分别与伺 服控制板和GPS接收机进行通信,并使用片内A/ D转换口接收空气数据和红外温度传感信息。 GPS和红外线温度传感器单元用于完成导航 和姿态测量任务。其中无人机的内环控制由红外 线温度传感器单元和微处理器单元组成,四个独 立的红外线温度传感器组成的测量系统可以感知 天空和地面的温度差,将此信号输入至微处理器 单元识别后,即可判断出无人机的飞行姿态,继 而通过控制舵机进行姿态调节来完成内环控制。 外环控制则由GPS单元和微处理器单元组成, 微处理器通过有选择的过滤GPS信息,可将接收 到的经纬度、海拔高度、地速等信息与预设信息 进行对比,再经解算后完成对飞行器的预定航线 和实际航线的比较,误差通过舵机不断进行调 节,最终完成外环控制。采用半导体材料的压阻 效应原理制造的MPX4115A大气压力传感器作为 空气数据采集传感器,可为无人机驾驶提供海拔 高度等数据。整个系统框图如图1所示。 2 基于STC12C5410AD的飞控系统设计 2.1 STC12C5410AD处理器 STC12C5410AD单片机是具有全新流水线和 精简指令集结构的高速率、低功耗新一代单片 机。它带有8路10位精度ADC、4路PWM/PCA (可 编程计数器阵列)、SPI同步通信口以及内部集成 基于STC单片机的无人机飞控系统设计 张鹏翼,罗卫兵,楼超英 (武警工程学院,陕西 西安 710086) 摘 要:自控飞行系统是无人机控制的核心部分。文章详细介绍了STC12C5410AD型单片机 的功能,论述了该系统在数据采集、信息传输、控制量输出以及软件功能规划等方面的应用 设计方法,给出了基于STC型单片机的小型无人机飞行控制系统的总体设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 和软件主模 块的程序流程。 关键词:无人机;STC12C5410AD;脉宽调制;SPI 收稿日期:2006-07-12 设计参考 23 2006.10 www.ChinaECD.net ElectronicComponent&DeviceApplications Vol.8No.10 Oct2006 第8卷 第10期 2006年10月 的MAX810专用复位电路。这些特点不但增加了 开发者的使用灵活性,同时还可以帮助用户减小 PCB尺寸和系统成本。此外,STC12C5410AD型 处理器还可以通过串口 (P3.0/P3.1)直接下载用 户程序,从而使其适合于在系统 (ISP)及在应用 (IAP)中编程,因而可为许多计算密集的嵌入式 控制应用领域提供功能强大、使用灵活且性价比 高的解决方案。 2.2 PWM/PCA的实现 PWM/PCA在本系统中起着一个关键的纽带 作用。因为除了可输出本地计算所产生的舵机控 制信号外,当处于遥控模式时,它还可捕获地面 发射机发射的控制指令信息。 PCA含有一个特殊的16位定时器和4个16位 捕获/比较模块。每个模块可编程工作在4种模式 下,即上升/下降沿捕获、软件定时器、高速输 出或可调制脉冲输出。四个模块可分别连接到 P3.7,P3.5,P2.0,P2.4四个端口上。寄存器CH 和CL的内容是自由递增计数的16位PCA定时器的 值。PCA定时器是4个模块的公共时间基准,可 通过编程工作在1/12振荡频率、1/2振荡频率、定 时器0溢出或ECI脚输入状态。 (1)PCA捕获模式 当无人机处于遥控模式时,应编程使PCA模 块进入捕获模式,以便对模块外部CEXn端口的 遥控数据输入跳变进行采样。当采样到有效跳变 时,PCA硬件就将PCA计数器阵列寄存器 (CH和 CL)的值装载到模块的捕获寄存器中 (CCAPnL和 CCAPnH),同时产生中断并向舵机输出信号。 (2)脉宽调节模式 当无人机处于自动驾驶模式时,应编程使 PCA进入脉宽调节模式。由于所有模块均共用仅 有的PCA定时器,同时占空比的产生是通过子模 块计数值和公共模块计数值相比较而得到的,所 以,各模块不但输出的频率相同,而且输出占空 比也是独立变化的,这样就可实现无干扰地更新 PWM。 2.3 SPI总线的外扩 串行外设接口 (SPI)是MOTOROLA公司提出 的一种全双工、高速同步通信总线接口协议,它 允许CPU与各种外围接口器件以串行方式进行通 信,以交换信息。它使用4条线:串行时钟线 (SCLK)、主机输入/从机输出线 (MISO)、主机输 出/从机输入线 (MOSI)和低电平有效使能信号线 (CS),这样,仅需3~4根数据线和控制线即可扩展 具有SPI接口的各种I/O器件。 STC12C5410AD处理器的SPI总线主要完成以 下两种功能: 第一是通过MAX3110将SPI总线转换为通用 串口数据。其中一路为遥测通道,用于和数传电 台相接,通过下行信道发送飞行状态、发动机工 作状态、电源系统工作状态、任务设备工作状 态、查询数据等遥测信息;另一路为航路通道, 用来记录预置航迹与任务装定数据;还有一路为 地面检测通道,主要功能是进行地面调试。 STC12C5410AD的第二个功能是通过28KB SRAM(NOVRAM)来在断电后保存装定的航迹 与任务数据。 2.4 A/D转换 STC12C5410AD型处理器的P1口可通过软件 将其编程为准双向输出、推挽输出、高阻输入、 开漏等四种模式。其中高阻输入和开漏模式可在 A/D转换时使用,精度为10位,速度可达100 kHz。一般情况下,自动驾驶仪的设计需要用五 个A/D通道来对四个红外线温度传感器、一个压 力传感器数据进行转换,其余的通道可通过软件 编程为准双向口输出模式。 3 控制策略及软件设计 3.1 控制策略 根据无人机飞行控制系统设计要求及所要完 图1 自动驾驶仪系统原理图 24 www.ChinaECD.net 2006.10 Vol.8No.10 Oct2006 第8卷 第10期 2006年10月 成的功能,该无人机飞行控制部分可分为内环控 制和外环控制两部分。其中内环控制包括姿态保 持与控制、速度控制等模态;外环控制则包括航 向保持与控制、高度保持与控制、自主导航等模 态。 图2所示为该无人机飞行控制系统的结构框 图。其中内环控制是以红外线温度传感器组成的 红外线平衡系统的感知信号为基础,通过对升降 舵、方向舵的控制来完成飞行姿态的稳定控制。 内环控制作为飞行控制的核心回路,也是飞行高 度、航迹等外环控制的基础。外环控制则以GPS 的位置、航向信号、高度传感器的气压高度信号 为基准,通过导航控制方法计算出飞行器的预定 航线和实际航线。 3.2 软件功能及结构 本系统软件的设计应当集飞行控制、航向解 算和导航于一体,按其功能和结构特点可分为3 个模块,即主模块、定时中断处理模块和串行中 断处理模块。 其中的初始化模块主要完成系统的初始化,包 括片内外围的初始化、RAM、串口的初始化、数 字I/O口初始化、A/D测试及采集、状态信息采 集、遥测编码、航向解算及大气数据实时处理、 导航处理、参数的设置等。其主模块流程图如图 3所示。 定时处理模块主要完成与时间有关的周期性 任务,包括传感器信号的数据采集,飞行控制律 的计算,遥测信息的发送,执行机构控制,离散 信号的输入输出,飞行模态的管理等。本系统的 内环控制大于50Hz,外环控制大于4Hz,定时中 断设计为每10ms一次,中断处理程序内部设置 了一个软计数器,用于控制周期为20ms的处理 程序。 本系统软件中的串行中断处理模块的主要作 用是完成遥控指令、GPS数据、高度传感器数据 等信号的接收功能。 4 结束语 STC12C5410AD型处理器的使用大大提高了 本小型飞人机飞控系统的可靠性和功能,减小了 系统的重量和体积。本系统在设计中采用了模块 化的结构形式。设计时将主控制模块、信号采集 模块及舵机控制信号的输出端分开,而将主控制 模块与不同的信号采集模块和输出方式相结合, 则实现了设计系统的通用性,从而使其能适用某 型号 pcr仪的中文说明书矿用离心泵型号大全阀门型号表示含义汽车蓄电池车型适配表汉川数控铣床 的一系列无人机的飞行控制。随着技术的不 断发展,单执行周期的STC51单片处理器将以它 特有的优越性在无人机应用领域得到广泛的应 用。 参考文献 [1] 苏永振.基于ARMAT91M55800A的无人机飞控器设 计[J].测控技术,2005. [2] 何衍庆,等.控制系统 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 、设计和应用[M].北京:化学 工业出版社,2003. [3] 求是科技.单片机应用系统开发实例导航[M].北京:人 民邮电出版社,2003. [4] 刘畅生,等.新型集成电路简明手册及典型应用[M].西 安:西安电子科技大学出版社,2005. 图2 无人机飞行控制系统结构图 图3 主模块流程图 设计参考 25