超小型遙控直升機飛行姿態(tài)穩定器的設計

　　本項目設計的是無(wú)線(xiàn)遙控直升機接收控制電路。本設計采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MMA7260QT低量程三軸向加速度傳感器和低功耗的MC9S08QG8 微控制器，并配合極少量的外圍器件。該電路能接收無(wú)線(xiàn)遙控發(fā)射機的控制指令，使直升機以不同的速度前進(jìn)、后退、轉彎，在沒(méi)有收到動(dòng)作指令時(shí)能使直升機自動(dòng)保持穩定。由于該電路的體積?。?212mm），重量輕，因此可以用于超小型遙控直升機。

　　設計概述

　　該系統能通過(guò)紅外遙控指揮直升機以不同的速度前進(jìn)、后退、轉向。該系統主要有兩大部分：第一部分輸入轉換、指令編碼、紅外發(fā)射部分；第二部分紅外接收、解碼、飛行狀態(tài)檢測、伺服電機控制部分。這兩部分的紅外接收部分不是本次設計的重點(diǎn)，不做詳述。

　　直升機是由三個(gè)小型電機控制的：一個(gè)主旋翼電機，控制飛機的上升或下降；一個(gè)尾翼電機，控制飛機的方向；一個(gè)前進(jìn)/后退電機，控制飛機前進(jìn)或后退。本系統利用螺旋槳產(chǎn)生的推力使直升機的重心發(fā)生改變，使直升機向前或向后傾斜，來(lái)實(shí)現直升機的前進(jìn)或后退。對直升機的準確控制，就是通過(guò)對這三個(gè)電機速度的準確控制來(lái)實(shí)現的。

　　利用MMA7260QT三軸向加速度傳感器將直升機的飛行狀態(tài)信息轉換為相應的電壓信號，再利用MC9S08QG8微控制器的10位ADC轉換器將信號轉換為數字信號。MC9S08QG8的程序將這些信號綜合，自動(dòng)控制直升機上的三個(gè)電機，使直升機狀態(tài)穩定。

　　系統設計

　　設計思想和技術(shù)關(guān)鍵

　　遙控直升機的飛行受飛行環(huán)境和設備狀態(tài)的影響很大。隨著(zhù)飛行環(huán)境和設備狀態(tài)的變化，想要保證穩定的飛行姿態(tài)是很難的。有了能自動(dòng)調節飛行姿態(tài)的穩定器之后，操縱遙控直升機就變得非常簡(jiǎn)單。該系統是采用飛思卡爾公司的MMA7260QT作為飛行狀態(tài)傳感器來(lái)實(shí)現的，具體實(shí)現方法如下：

　　Z軸是直升機的升降軸，在直升機靜止時(shí)讀取MMA7260QT的Z軸數據，作為參考點(diǎn)。飛機上升或下降時(shí)讀取的數值相對于參考點(diǎn)的變化量，就是Z軸的加速度az，那么飛機上升或下降的速度Vz就是az對時(shí)間的積分。上升為正、下降為負。程序按照適當的比例換算后控制主旋翼電機的轉速，使直升機保持為懸停狀態(tài)。當然，這只是對Z軸理想化后的理論計算。

　　由于當直升機發(fā)生傾斜時(shí)，Z軸的數據參考點(diǎn)會(huì )發(fā)生變化。這樣，還以原數據作為參考點(diǎn)得到的gz就不是正確的。為什么直升機傾斜會(huì )使靜止參考點(diǎn)發(fā)生變化呢？那是由MMA7260QT傳感器的特性決定的：當Z軸垂直于地面，也就是與重力方向平行時(shí)，在Z軸上已經(jīng)加有一個(gè)重力加速度。當直升機發(fā)生傾斜時(shí)，Z軸上的加速度就只是重力的一部分，這樣實(shí)際的零加速度參考點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生了變化。所以，在求Z軸的加速度時(shí)，必須解決這個(gè)問(wèn)題。

　　在直升機飛行過(guò)程中，由于直升機的重心很低，所以認為在X-Z面上是不會(huì )有傾斜的。Y-Z面的傾斜是操縱直升機前進(jìn)或后退造成的，當Y-Z面發(fā)生傾斜時(shí)，Y軸的靜態(tài)參考點(diǎn)也一定發(fā)生了變化。當然，在Z軸和Y軸有合成加速度時(shí)，也會(huì )出現這種結果。無(wú)論是哪一種原因造成的，我們都要先去調整Y軸，使Y軸的數據值在靜態(tài)參考點(diǎn)上。在傾斜度為零、加速度也為零的狀態(tài)時(shí)，Z軸靜止沒(méi)有變化，這時(shí)的條件和理想化的條件是一樣的。所以，這時(shí)得到的gz是正確的。我們就在這時(shí)讀取gz的值，作為控制Z軸狀態(tài)的依據。

　　在實(shí)際飛行狀態(tài)中，傾斜產(chǎn)生的重力加速度與Y軸加速度的代數和為零是一個(gè)特殊狀態(tài)。這時(shí)直升機傾斜在Y軸產(chǎn)生的分力所產(chǎn)生的加速度正好與Y軸的實(shí)際加速度數值相等，而方向相反，安裝調整時(shí)要注意回避這一特殊狀態(tài)。

　　Y軸是直升機的前進(jìn)/后退軸。因為直升機是在室內飛行，認為環(huán)境沒(méi)有風(fēng)的影響。所以只要直升機有加速度存在，直升機就有傾斜。直升機前進(jìn)或后退的力Fy是直升機的升力F0的方向與重力的反方向的夾角β的正弦函數。有Fy=F0sinβ，而Y軸的加速度ay正比于Fy。由于直升機的速度很低，忽略空氣阻力的作用，則：ay=Fy/M，式中M是直升機的質(zhì)量。

　　同時(shí)，傾斜角會(huì )產(chǎn)生一個(gè)重力加速度gY，夾角也是β。它與重力加速度g0有：

　　gY=-g0sinβ。ay和gY的方向是相反的。測到的加速度a是ay和gY的代數和。這個(gè)代數和的方向及大小可以實(shí)測得到。

　　為了減少實(shí)測數據的工作量，只測出a的方向和大概數值即可?？刂茣r(shí)使a逐步向零靠近，最終基本等于零。

　　由于在直升機轉向時(shí)，X軸有加速度，同時(shí)Y軸也會(huì )有加速度。為了簡(jiǎn)化計算，Y軸的加速度也要在X軸的加速度為零時(shí)檢測。

　　當Y軸有操縱指令時(shí)，Y軸的自動(dòng)控制暫時(shí)被停止。

　　X軸是直升機的左右轉向軸，在Z-X面上，直升機不會(huì )有傾斜，所以Z軸的加速度不會(huì )影響X軸的加速度。在直升機靜止時(shí)，若直升機發(fā)生方向改變，程序就控制尾翼電機，使方向改變停止，使X軸方向速度為零。當Y軸或X軸有操縱指令時(shí)，X軸的自動(dòng)控制暫時(shí)被停止。

　　另外，直升機在飛行過(guò)程中，電機和螺旋槳轉動(dòng)引起的振動(dòng)也使傳感器產(chǎn)生失真數據。所以，需要排除自動(dòng)干擾后的數據才能使用。那么，怎樣排除這些振動(dòng)的干擾呢？該方案采用了兩種措施：一是將信號限制范圍，超過(guò)范圍的信號被排除。二是用累加平均法：用遠高于振動(dòng)頻率的采樣率讀取數據，再以遠大于振動(dòng)周期的時(shí)間段將數據平均。這樣得到的數據，可以排除大部分的振動(dòng)干擾。

　　系統的功能和工作過(guò)程

　　直升機接通電源后，處于接收遙控信號狀態(tài)。

　　發(fā)射機必需先按下啟動(dòng)按鈕，直升機方可啟動(dòng)。在啟動(dòng)之前，所有其它操作都是無(wú)效的。

　　收到并確認遙控信號的啟動(dòng)信號時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)三個(gè)電機。電機的啟動(dòng)速度很慢，保證直升機不會(huì )動(dòng)。當電機的速度增加到使直升機有微小上升時(shí)，控制電路記憶保持直升機不動(dòng)時(shí)電機的最大速度。這時(shí)啟動(dòng)過(guò)程結束，直升機的移動(dòng)可隨意遙控。

　　遙控器左手的縱向控制直升機的升降，右手的縱向控制進(jìn)退，右手的橫向控制方向。長(cháng)時(shí)間無(wú)正確的遙控信號時(shí)，程序會(huì )自動(dòng)使直升機停下來(lái)。

　　電池電壓不足時(shí)，LED會(huì )亮1秒，暗1秒來(lái)指示。在電池低到一定程度時(shí)，會(huì )自動(dòng)進(jìn)入停止操作，并同時(shí)輸出電池電壓不足LED指示。

　　系統框圖

　　系統框圖如圖1所示。

　　硬件描述

　　編碼、紅外發(fā)射和紅外接收電路不是本次討論的重點(diǎn)，不做描述。重點(diǎn)描述飛行姿態(tài)傳感器電路、ADC電路、解碼電路、XYZ軸輸出電路。圖2所示為其原理圖。

　　飛行姿態(tài)傳感器電路

　　該部分電路由MMA7260QT、R1、R2、R3、C1、C2、C3、C5組成。

　　MMA7260QT是一個(gè)三軸小量程加速度傳感器模塊。它的靈敏度可通過(guò)g-Select1和g-Select2來(lái)選擇。最高靈敏度可達800mV/g。工作電壓低、可工作電壓范圍寬(2.2～3.6V），功耗?。?.5mA，在睡眠狀態(tài)只有3μA）。非常適合電池供電的應用。另外，小尺寸封裝，使其重量也很輕。g-Select1和g-Select2分別接到PTA2和PTA3上?？梢愿鶕枰x擇靈敏度。

　　XYZ軸的輸出經(jīng)過(guò)電阻R1、R2、R3和電容C1、C2、C3濾波后分別接到了MCU的ADC輸入。 因為在這項應用中MMA7260QT 保持在工作狀態(tài)，所以Sleep Mode腳接到了VDD。C5是為了減小電源波動(dòng)對傳感器的影響加的去耦電容。

　　XYZ軸輸出電路

　　XYZ軸輸出電路由電機Mz、Mx、My、MOSFET管T1、T2、T3、二極管D1、D2、D3和電阻R6、R7、8組成。XYZ軸電機控制信號分別通過(guò)普通的B口輸出腳PTB5、PTB4、PTB6輸出。這里PTB5、PTB4、TB6已經(jīng)通過(guò)軟件將其做成PWM輸出口。它們輸出的是電壓PWM信號，通過(guò)PWM信號控制電機的轉速。

　　這個(gè)PWM信號通過(guò)電阻R6（R7、R8）送到MOSFET管的控制極，控制MOSFET管的通/斷，帶動(dòng)電機工作。因為MOSFET是電壓控制器件，是不需要限流電阻的。這里的R6、R7、R8是為減小電機的脈沖干擾信號通過(guò)T1、T2、T3耦合對MCU的影響而設。

　　D1、D2、D3是在T1、T2、T3關(guān)斷時(shí)為電機提供電流通路。

　　Mz是主旋翼電機，帶動(dòng)直升機的主旋翼，控制著(zhù)直升機的升/降。

　　Mx是尾翼電機，帶動(dòng)直升機的尾翼螺旋槳，控制著(zhù)直升機的方向。

　　My是進(jìn)/退電機，控制著(zhù)直升機的前進(jìn)/后退。

　　系統軟件

　　軟件流程

　　軟件流程如圖3所示。

　　軟件描述

　　飛行姿態(tài)信號和電池電壓AD轉換程序

　　實(shí)現飛行姿態(tài)信號測量的方法是：首先用準確的時(shí)間間隔來(lái)測飛行姿態(tài)信號；將測得的數據進(jìn)行比較，大于最大限制值時(shí)放棄；對于在規定范圍內的數據求代數和，同時(shí)記錄求和的次數；經(jīng)過(guò)一段規定的時(shí)間后，將求得的代數和除以求和的次數，就得到了在這段規定時(shí)間的平均值。用計時(shí)器設一個(gè)定期的時(shí)間中斷就可實(shí)現測量時(shí)間的準確間隔。

　　實(shí)現飛行姿態(tài)信號測量的程序簡(jiǎn)略如下：

　　在初始化程序中：設置ADC在CH4上，ADC關(guān)中斷連續轉換。在CH4上是X軸數據設置，MTIM計時(shí)模塊T_n時(shí)間中斷一次。

　　電池電壓監控程序

　　當檢測到電壓低到某一值時(shí)，程序會(huì )通過(guò)LED顯示，向操縱人員報警。如沒(méi)有及時(shí)控制直升機停止飛行，電壓會(huì )繼續降低。當電壓低到不能允許再低的時(shí)候，程序將強制直升機停止飛行。這個(gè)"強制停止"不是立刻將電機停止，那樣會(huì )使直升機墜落，而是平衡地減小PWM輸出，使直升機緩慢的降落