固定翼飛機豎直飛行控制系統的設計

引言

　　固定翼飛機水平飛行是最常見(jiàn)的飛行狀態(tài)，讓其做大仰角飛行則動(dòng)作不能一直保持，如讓其垂直于地面飛行能保持的時(shí)間則更短。本項目要實(shí)現的是一個(gè)可以讓飛機垂直于地面飛行并可以穩定在固定高度的控制系統。利用在機身加入的三軸向加速度傳感器來(lái)檢測垂直于地面飛行的飛機的姿態(tài)。當檢測到飛機前后搖擺時(shí)，控制水平尾翼使飛機保持前后方向的穩定性；當檢測到飛機左右搖擺時(shí)，控制垂直尾翼使飛機保持左右方向的穩定性；當檢測到飛機上下竄動(dòng)時(shí)，控制油門(mén)的大?。绰菪龢霓D速）來(lái)保持飛機飛行高度的穩定性。當這些控制都很精準到位時(shí)，固定翼飛機也可以像直升機一樣穩穩地懸停在空中了。利用本文設計的控制系統可以讓飛機在做垂直飛行減速的同時(shí)順時(shí)針或逆時(shí)針轉90°（投影面積很?。?，這樣就可以減小暴露給后面飛機的投影面積，減小被擊中的幾率。

設計概述

　　為了讓飛機能豎直飛行，控制電路需要有以下功能：

　　判斷飛機是否要豎直飛行 對于真飛機，它可能只是一個(gè)可防止誤觸發(fā)的撥動(dòng)開(kāi)關(guān)；在本項目的實(shí)驗品遙控飛機里，它就是某一個(gè)通道的脈寬信號。當脈寬大于某一設定值時(shí)，控制電路就知道它該上場(chǎng)了。

　　判斷自身姿態(tài) 這是本控制電路的核心部分之一，在控制飛機保持豎直飛行之前必須先判斷自身的姿態(tài)。本項目用MMA7260QT傳感器檢測飛機的姿態(tài)。

　　控制 這是本項目設計制作過(guò)程中最耗時(shí)的部分，但其原理很容易理解：姿態(tài)電路已經(jīng)了解了飛機的姿態(tài)，控制電路只要做相應動(dòng)作就可以了。飛機前傾它就讓飛機向前移動(dòng)一些，后傾就向后移動(dòng)一些。還有一個(gè)需要控制的量——高度，飛機在做此動(dòng)作時(shí)高度是要保持穩定的，機身上沖時(shí)要減小油門(mén)，下降時(shí)要加大油門(mén)。要完成如此控制，要用兩片MC9S08QG8。為了達到上述功能，本項目應有如圖1所示的電路框圖。

　　選用兩片MC9S08QG8是因為在本項目里有兩處對時(shí)間要求比較嚴格的地方：一是讀從遙控器送出的脈寬；二是把經(jīng)過(guò)運算的脈寬精確地發(fā)送出去，兩處都要10μS以?xún)鹊恼`差，如用一片來(lái)做即使用中斷也會(huì )有沖突。本項目里兩片MC9S08QG8工作的大體分配是：一片作為主控，用于讀取遙控器送來(lái)的由接收機收到的脈寬（高實(shí)時(shí)性）、讀取飛機姿態(tài)（低實(shí)時(shí)性）、控制運算（PID運算）和數據發(fā)送（把需要對飛機如何控制的數據，也就是PID運算的結果送給另一片MCU）；另外一片作為輔助，只要把讀到的數據實(shí)時(shí)發(fā)給飛機的執行機構就可以了。

硬件描述

　　硬件電路如圖2所示。

　　·傳感器MMA7260QT輸出的三個(gè)軸的數據分別送入主控MCU的三個(gè)A/D輸入端ADP0、ADP1和ADP2，電源接一個(gè)電阻和電感可防止電源對傳感器的干擾。

　　·整個(gè)電路的電源由J1從接收機引入，通過(guò)78FC33變?yōu)?.3V后給MCU和傳感器供電，J2、J3、J4分別是左右、油門(mén)和前后控制。

　　·主控MCU的第二路TPM的捕捉輸入端TPMCH1接接收機的信號輸出端。本遙控系統是9通道的，也就是可同時(shí)控制9個(gè)機構，這種9通道的信號見(jiàn)圖3。它是由間隔為20ms的一個(gè)個(gè)脈沖串組成，每個(gè)脈沖串有9個(gè)脈沖，連續兩個(gè)脈沖的上升沿的間隔就是遙控器送出的有效控制信號，此間隔最小1ms、最大2ms。TPM捕捉到9個(gè)脈沖的寬度后，就可以根據需要直接送給舵機或經(jīng)PID運算后再送給舵機了。至于如何識別某一脈沖是上一個(gè)脈沖串的結尾還是下一個(gè)脈沖串的開(kāi)頭，這里涉及到一個(gè)同步脈沖的概念，屬于軟件內容，在此先不作解釋。

　　·主控MCU的串行輸出端接輔助MCU的串行輸入端。主控MCU想如何控制飛機動(dòng)作，只要通過(guò)串口把數據發(fā)送給輔助MCU就可以了，發(fā)送格式如表1所示，共8個(gè)字符，其中0xAA、0x55為引導位……

　　·三個(gè)LED，D1是電源指示燈，D3用于指示“我是控制電路，我已經(jīng)開(kāi)始控制飛機豎直飛行了”，D2是“出錯了，小心出問(wèn)題，快切換回由你控制吧。”

　　·輔助MCU有兩個(gè)工作：一是讀主控MCU送來(lái)的串行數據，找到引導字符后，把前后左右上下（油門(mén)）的數據送入相應的數組貯存；二是每20ms把相應的數組里的數據以脈沖形式發(fā)送出去。脈沖最小1ms、最大2ms。這個(gè)信號送入飛機的執行機構——舵機后對應的輸出規律見(jiàn)圖4。1ms的脈沖使舵機搖臂在最左邊的位置，1.5ms的脈沖使舵機搖臂位于中位，2ms的脈沖使舵機搖臂在最右邊的位置。舵機的搖臂連接飛機的各執行機構，搖臂搖動(dòng)時(shí)飛機的執行機構（如尾翼等）也跟著(zhù)擺動(dòng)。