四旋翼微型飞行器控制系统设计

控制技术 计算机测量与控制．2008．1 6(4) Computer Measurement&C ontrol · 485 · 文章编号：1671—4598{2008)04—0485—03 中图分类号：V247．1；TP391．8 文献标识码：A 四旋翼微型飞行器控制系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 杨明志 ，王 敏。 (1．南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 210016；2．安徽师范大学 数学计算机学院，安徽 芜湖 241000) 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C8051F020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；PWM Design 0f Flight Control System for a F0ur— rotor M ini Rotorcraft Yang M ingzhi 。W ang M in0 (1．College of Automation&Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China； 2．College of Mathematics and Computer Science，Anhui Normal University，Wuhu 241000，China) Abstract：The four—rotor mini rotorcraft is an under—actuated system，which is powered by four motors and flies by adjusting the speed of the motors．In order to realize the autonomous flight control for the four— rotor mini rotorcraft，the preliminary design of flight con— trol System is proposed．The hardware of flight control system is designed based on single--chip microcontroller C8051F020．The key tech— niques related to hardware design are discussed．Because of the patch package and the low power— consumption of the most elements，the ro— torcraft has the characteristics of the small volume，the little weight and the low Dower—consumption．The test results within doors show that the hardware system is reliable and can meet control requirement under the model of flight，including taking off，hovering，and landing and SO OIL Key words：four—rotor mini rotorcraft；flight control system；single--chip microcontrollert 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 C8051F单片 机的优越性能，以 C8051F020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。 C8051F020是 Cygnal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 MCS一51内核及指令集兼容的 CIP一51内核 (运算速度高达 25兆指令／秒)；C8051F020具 有片内调试电路，通过 JTAG接 I：l，可以进行非侵入式、全 速、在系统调试；C8051F020的片内资源包括 ：64个通用数 字 i／o端 口、64KB Flash存储器、4352B RAM、8通道 12位 和 8通道 1O位 100 ksps的 AD转换器、2个 12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 (PCA)。另外它还具有外部数据存储器接 口 (EDMI)、SM— Bus／I C总线、SPI总线、2路 UART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 ：2007—06—02； 修回日期：2007—07—12。 作者简介：杨明志(1978一)，男，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 chinamca．com 维普资讯 http://www.cqvip.com · 486· 计算机测量与控制 第 16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 (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)检测飞行器的状态量，包括高度、速度、航向、姿态等； 4)通过RS232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体积小、重量轻、功耗低的特点。飞 行控制器的设计以C8051F020单片机为核心。并且挑选 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 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CMOS元器件，使整机功耗降低。 2．1 外部 RAM 扩展 C8051F020只有 4352B RAM (4KB片上 RAM+256B核 内RAM)，可能不能满足复杂控制软件的实现，因此采用 32K ×8的 SRAM 芯片 IS62C256．使存储空间扩展 了 32KB．硬 件 原理如图3。 中华 测控 网 chinamca．COIn C8O5lFO2O CE p5 7 IS62C256 RD、 wR oE、 W E p7．O叫P7 7 、 I I ： D0 D7 P5 0-P5 6、P6 P6 A0~AI4 I 厂] I I TL16C754 DO--D7 A0 ．A2 TXA 嘞 CSA CSD pl 6、 p1 7 — 一 RXA{哪 n |^NTD P2 1、 P2 0 l0R 、 OW 图3 外部 RAM扩展及串口通讯扩展电路 2．2 串 口通信 扩展 C8051F020只有 2个增强型 UART异步串行接口，不能 满足多路 串行通信 的需要。TI公 司的专用串 口扩展芯 片 TI 16C754波特率高达 3 Mbps，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 (FIFO)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 P5、 P6端口，数据线配置在 P7端口，采用单片TL16C754扩展了 4路 R$232串行接 口。 2．3 PwM 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，为了提高飞行控制系统的可靠性 ，需要对 C8051F020单 片机输出的脉宽调制 (PWM)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。ADI公司的 iCoupler系列数字隔离器将 CMOS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 ADuM1400实现了4路 PWM信号的隔离。 Vcc DVCC 图4 电机隔离电路 2．4 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 SRF08声纳高 度计。SRF08通过标准的 I C总线输出高度信号。C8051F020 的串行口SMBus与 I C串行总线完全兼容，SMBus总线通过 时钟线 SCI 和数据线 SDA实现同步串行接收和发送。因为 SMBus总线接口为漏极开路输出，所以SCL线和SDA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 PWM 信号的实现 在 C8051F020中有一个比一般的计数／定时器功能更强的 维普资讯 http://www.cqvip.com 塑 —— 杨明志，等：四旋翼微型飞行器控制系统设计 ·487· 可编程计数器阵列 (PCA)，需要较 少的 CPU干预 。PCA由 1 个专用的 16位计数／定时器和 5个 16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CEXn，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，ECI线 上的外部时钟信号，SYSCI K一系统时钟，SYSCLK／4，SY— SCLK／12，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 (PWM)和 16位 PWM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 20 ms PWM信 号控制 。PWM 由 PCA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 CEX0、 CEX1、CEX2、CEX3分 别 配 置 到 P1．2、P1．3、P1．4、P1．5 端口。PCA的时钟源选择外部振荡器 8分频。C805IF020单 片机可实现高精度的PWM输出，但输出的最大电压 VDD为 3．3V，而电机所需电压为 5V，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 5V 电源，单片机的逻 辑 “1”输出将被提升到 5V。 在高速输出方式下 ，每当PCA的计数器 (PCAOH／L)与 捕捉／比较寄存器 (PCAOCPHn／Ln)发生匹配时，CEXn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 PWM 高电平计数值装入 PCAOCPHn／Ln中；在下降 沿状态，将 OxO000装入 PCA0CPHn／Ln中，在 CEXn引脚上 便得到 16位 PWM。比如，对于电机 1： Void PeA _ ISR (void)interrupt 9 { if(CCF0) { CCF0— 0；／／清除比较标志 if(PWM—Motorl 0UT) {／／处理上升沿，设置 PWM 的下一个匹配值 PCAOCPL0= (0xff＆ PWM — Motor1)； PCAOCPH0= (0xff＆ (PWM — Motorl>> 8))； } else {／／处理下降沿，设置 PWM的下一个匹配值 0 PCAOCPI o= o； PCAOCPH0 = 0： } } jf(CCF1) } 占空比一PwM／65536，改变 PWM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 C8051F020是单片机结构的片上系统，内部 256个单元的 RAM和寄存器单独编址 ，片上 4KB RAM、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 RAM、外部扩展 SRAM和 I／0的空间分配。如图 3，地址信 号 A15(P5．7)经过反相器 4069输入给外扩 SRAM，A15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VCC ^ll l ^l2 2 ^l3 3 — ÷ El E2A14 g 厂 ．暮 YO Yl Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 l5 l4 l3 l2 Il lO 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 SRAM 和片上 RAM 分开，而且各 个扩展串口的空间也相互独立。 表 1 存储空间和 I／0空间地址分配 片上 RAM oH一0FFFH； UARTO 4000H一4007H ； UART1 4800H一4807H； UART2 5000H一5007H； UART3 5800H一5807H ； 外部扩展 SRAM 8000H—FFFFH； 3．3 单片机与外设的时序匹配 外扩存储器 IS62C256、串口扩展芯片 TL16C754通过总 线与 C8051F020互连进行数据交换时，时序匹配是数据可靠 传输的保证。由于 IS62C256和 TL16C754同处于 C8051F020 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 22．1184 MHz晶振 ，系统时钟选择外部振荡器，并且采取不 分频方式。IS62C256时序配置要求：地址信号的建立和保存 都至少 25 ns和 35 ns，读写脉冲宽度至少 45 ns。通过设置单 片机的外部存储器时序控制寄存器 (EMIOTC)为 0x45，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 12 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CMOS芯片，降低 系统总功耗。12 V给 4个无刷直流电机和磁航向计供电。12 V 电源经过稳压块 MC7809CT和 MC7805T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TPS7333Q把 VCC 图 6 C8o51FO2O工作电压的转换 (下转第 490页) 中华 测控 网 chinamca、com l8 O—l一2—3 {； 维普资讯 http://www.cqvip.com · 490· 计算机测量与控制 第 16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 l4 8 图7 前置反馈解耦控制仿真模型 由G (5)一 [Gl(5)+G2(5)]其中Gl(5)、G2( )分 别表示为： ggl1( ) 0 ⋯ G。c 一 J： ‘ ： l ． ． r 0 g1 2( ) ⋯ G2(z )一 ‘ ? ：“ l ： ： l g l( 一 ) g 2( ) ⋯ 令解耦目标矩阵G ( ) G ( ～ )， (13)可求得补偿解耦矩阵D ( )为： 0 ] 0 I ． 1 (12) g (z- )l g1 ( 一 )] _ I ) 0 l 由式子 (10)～ t／s 图 8 解耦后的张力一速度仿真波形图 DH，(Z I)一厂gu‘ ‘ ／g ‘ ’ ‘ ≠ (14) 10 (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 (14)式求 出补 偿解 耦 矩 阵 D， ( )，然后用 Matlab在 Simulink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 输出波形图如图8所示。其中输入U ( )一U。( ) 一5．64V，UGl( )一U2( )一7．98V，L，G2(k)= U。 ( )一5．82V，此时各个输出变量的大小为：F = 63．4kN，Fv一82．1kN，NGl一458r／min。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 EJ]．控制与决策， 2003， 18 (5)： 522— 526． [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，2004． [3]胡 晖．多 变量 反馈 解耦控 制 系统研 究 [J]．控 制工程， 2004． 11 (6)： 500— 502． (上接第 487页) (5 V)转化成 C8051F020单片机工作的数字电源 VDD (3．3 V)和模拟电源 AV4-(3．3 V)，如图 6所示。 4 结束语 利用C8051F020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 chinamca．com 参考文献 ： [1]鲍可进．C8051F020单片机原理及应用 [M]．北京：中国电力 版社 ，2006． [2]McKerrow P．Modeling the Dragon—flyer Four—Rotor Helicopter ：．J]．IEEE Trans．on Robotics and Automation．2004：3596—3601． [3]Bouabdallah S，Murrieri P，Siegwart R．Design and control of an indoor micro quadrotor口]．IEEE 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