三自由度直升機的嵌入式控制系統

　　編碼器碼盤(pán)上的圓周等分條紋數為600，被測軸旋轉一周，編碼器的A、B兩相分別發(fā)出600個(gè)脈沖，A、B兩相的脈沖當量即對應的角度P=360°/600。由于對B脈沖一個(gè)周期進(jìn)行了2次計數，則FA1計數的每一個(gè)脈沖對應的角度為P/2。編碼器的旋轉角度即三自由度直升機的俯仰角angle00=(FA1-30 000)×P/2。
　　同理，對三自由度直升機橫側時(shí)編碼器輸出的3個(gè)信號進(jìn)行測量，算出橫側的角度。
　　(3)PWM輸出
　　通過(guò)PID控制算出的電壓，經(jīng)由EasyARM1138開(kāi)發(fā)板Timer2產(chǎn)生PWM方波信號，以此來(lái)輸出控制2個(gè)直流無(wú)刷電機的電壓輸入。
　　設置Timer2模塊中TimerA和TimerB的初值為6 000，其輸出的電壓范圍為0 V～3.3 V。PID控制算出的電壓V00與TimerA和TimerB裝載的匹配值對應成線(xiàn)性變化，比例系數為K=0.3。匹配值 MP1=V00×K×6 000（0≤V00×K≤1）。匹配值隨著(zhù)PID控制算出的電壓變化而變化，然后根據PWM占空比輸出對應的電壓控制三自由度直升機的2個(gè)電機。
2.2.2 控制律生成方法
　　控制律生成方法分為系統建模和PID控制兩部分。系統建模的過(guò)程具體可以參見(jiàn)固高公司的產(chǎn)品手冊[4]。
　　2個(gè)電機的輸出電壓采用增量式數字PID控制算法，用C語(yǔ)言編程實(shí)現：
　

　　V01是電機1當前的電壓，V00是電機1上一次采樣時(shí)的電壓，Ee[i]是三次采樣俯仰角的角度誤差值；
　　V11是電機2當前的電壓，V10是電機2上一次采樣時(shí)的電壓，Ep[i]是三次采樣橫側角的角度誤差值。
3 系統測試及結果
　　為了對系統的運行結果進(jìn)行測試，特采用數字示波器(Tektronix TDS220)和萬(wàn)用表對飛行搖桿給出的俯仰角和橫側角的指令信號，以及三自由度直升機的旋轉編碼器的輸出的實(shí)際俯仰角和橫側角信號進(jìn)行測試和分析。測試工具還需要EasyARM1138調試開(kāi)發(fā)軟件IAR Embedded Workbench for ARM 5.11及相應的內嵌USB接口的下載仿真器。
　　搖桿信號與三自由度直升機信號分別接到控制盒的兩端，這時(shí)將程序加載到EasyARM1138開(kāi)發(fā)板中，對控制系統進(jìn)行整體調試。
3.1 三自由度直升機的啟動(dòng)與穩定運行
　　打開(kāi)三自由度直升機電機的電源，保持搖桿的平衡狀態(tài)及運行程序，三自由度直升機的俯仰軸會(huì )平穩地向上轉動(dòng)，俯仰角穩定地由-30°變化到0°。當俯仰角穩定下來(lái)后，俯仰軸基本上不發(fā)生旋轉，這時(shí)的俯仰角軸旋轉編碼器的測量信號理想值應該是一條平穩的直線(xiàn)，沒(méi)有任何脈沖產(chǎn)生。但實(shí)際上可能會(huì )存在小幅振動(dòng)，對應信號圖形為少數的脈沖信號。
　　圖4中每格的時(shí)間長(cháng)度為1 s。由圖4可知，在10 s的時(shí)間長(cháng)度內，俯仰角旋轉編碼器輸出了少量脈沖信號，每個(gè)脈沖對應角度變化為0.3°(上下波動(dòng))。
　　在理解此圖的基礎上，對圖5所示的圖形也就不難理解了。圖5中給出的是俯仰角由-30°變化到0°時(shí)旋轉編碼器的輸出波形。

　　可以看出，俯仰角為-30°和0°時(shí)，旋轉編碼器的輸出都近似為直線(xiàn)，或只有很少的脈沖。而在從-30°變化到0°的變化過(guò)程中，旋轉編碼器的輸出表現為密集的脈沖信號，而且剛開(kāi)始的時(shí)候脈沖比較密，后面稍微稀疏。對應為俯仰角的變化過(guò)程，開(kāi)始時(shí)角度變化速度比較快，后面稍慢。
　　對于該過(guò)程，采用EasyARM1138串口通信把旋轉編碼器的角度數據讀入電腦，然后通過(guò)Matlab繪制得到如圖6所示的數據變化曲線(xiàn)。

3.2 三自由度直升機的增穩
　　當三自由度直升機穩定運行后，若有外部擾動(dòng)，例如陣風(fēng)等沖擊信號作用在三自由度直升機的旋轉軸上，則在控制器的作用下，系統應該能自動(dòng)抵御該擾動(dòng)，擾動(dòng)消除后，系統恢復到原來(lái)位置。
　　圖7給出了三自由度直升機的俯仰軸受到?jīng)_擊擾動(dòng)時(shí)的俯仰角旋轉編碼器輸出信號波形。由圖7可以看出，擾動(dòng)作用剛發(fā)生瞬時(shí)，旋轉編碼器開(kāi)始輸出密集的脈沖，表明此時(shí)俯仰軸在做持續運動(dòng)。而擾動(dòng)發(fā)生以前和擾動(dòng)過(guò)去一定時(shí)間后，旋轉編碼器的輸出為少量的脈沖信號，表明俯仰軸基本上處于平衡狀態(tài)。

　　在該過(guò)程中，采用EasyARM1138串口通信把旋轉編碼器的角度數據讀入電腦，然后通過(guò)Matlab繪制得數據變化曲線(xiàn)如圖8。
3.3 討論
　　(1)系統的連調過(guò)程只給出了系統的輔助操縱過(guò)程的輸出通道效果。因為所用的Tektronix TDS220數字示波器在測試雙通道信號時(shí)，2個(gè)通道信號的波形存在時(shí)間偏差，所以無(wú)法同時(shí)給出理想的輸入信號與輸出信號的對比波形。
　　(2)對于系統的另外兩個(gè)工作模式，“全自動(dòng)駕駛”的效果與圖8類(lèi)似，而“改平”功能的效果與圖6相似，在此不多敘述。

　　(3)由于三自由度直升機的旋轉編碼器為增量式的旋轉編碼器，只能反映角度的變化量，因此，看到的穩態(tài)情況下編碼器輸出脈沖數都近似為零。而當前角度的計算方法是：初始角度+角度變化量。系統對俯仰角和橫側角的穩定，實(shí)際上是對相對初始角度變化量的穩定。
　　本文討論了三自由度直升機嵌入式控制系統設計的全部開(kāi)發(fā)過(guò)程。控制系統經(jīng)過(guò)測試，各項功能滿(mǎn)足設計要求。因此整體控制系統的設計思路可行，設計結果合理、可靠。其方法可以推廣應用于實(shí)現小型無(wú)人直升機的飛行控制系統，可以為研制真實(shí)的數字式飛行控制系統提供技術(shù)儲備，可以應用于其他運動(dòng)測控系統的嵌入式設計。