微小型無(wú)人機(jī)全姿態(tài)增穩(wěn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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隨著國(guó)內(nèi)外反恐形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻和各類(lèi)突發(fā)事件的頻繁發(fā)生，對(duì)武警部隊(duì)能否在各種復(fù)雜、危險(xiǎn)的環(huán)境下，快速有效地完成任務(wù)，提出了更高的要求。傳統(tǒng)的偵察手段已經(jīng)不能滿(mǎn)足形勢(shì)的需求，如重大自然災(zāi)害，導(dǎo)致救援工作無(wú)法展開(kāi)；反恐或協(xié)助抓捕時(shí)不能有效地跟蹤嫌疑人等。無(wú)人偵察機(jī)的出現(xiàn)給執(zhí)勤人員帶來(lái)了方便，但在偵察過(guò)程中無(wú)人機(jī)自身產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)使圖像拍攝出現(xiàn)抖動(dòng)，因此很大程度上影響到指揮員的正確決策。傳統(tǒng)的自駕儀采用慣性測(cè)量單元獲得飛機(jī)的姿態(tài)信息，包括角速度計(jì)(陀螺)和加速度計(jì)。陀螺用來(lái)測(cè)量飛機(jī)的姿態(tài)角和角速度；加速度計(jì)用來(lái)測(cè)一般重力加速度下兩個(gè)水平方向的投影，通過(guò)三角關(guān)系可以換算出飛行器當(dāng)前的姿態(tài)，也就是俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。但是，利用加速度計(jì)測(cè)量的姿態(tài)信息十分容易受到飛行器振動(dòng)和機(jī)動(dòng)飛行時(shí)自身加速度的干擾，測(cè)量精度誤差一般比較大，穩(wěn)定性差，使偵察效果受到影響。為解決無(wú)人機(jī)飛行平穩(wěn)性，研究了一款由三軸陀螺和傾角傳感器構(gòu)成的全姿態(tài)增穩(wěn)控制系統(tǒng)，用以改進(jìn)無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的穩(wěn)定性。
l 系統(tǒng)特點(diǎn)
由陀螺和傾角傳感器構(gòu)成全姿態(tài)增穩(wěn)控制回路。陀螺測(cè)量得到的角速度信息用作增穩(wěn)反饋控制，使飛機(jī)操縱起來(lái)變的更“遲鈍”一些，從而利用傾角傳感器測(cè)得飛機(jī)橫滾角和俯仰角。然后將陀螺測(cè)得的角速率信息和傾角傳感器測(cè)得的姿態(tài)角進(jìn)行捷聯(lián)運(yùn)算，得到融合后的姿態(tài)信息。這種較為復(fù)雜的捷聯(lián)算法可使姿態(tài)精度得到很大提高。
2 姿態(tài)增穩(wěn)控制律硬件設(shè)計(jì)
無(wú)人機(jī)姿態(tài)增穩(wěn)控制屬于內(nèi)回路控制，它包括姿態(tài)保持與控制、速度控制等模式。內(nèi)回路控制是在以三軸陀螺和傾角傳感器獲取無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)升降舵、方向舵的控制，完成飛行姿態(tài)的穩(wěn)定與控制。內(nèi)回路控制作為飛行控制的核心回路，也是飛行高度、航跡等外回路控制的基礎(chǔ)。外回路控制是以GPS的位置、航向信號(hào)、高度傳感器的氣壓高度信號(hào)為基準(zhǔn)的，它通過(guò)導(dǎo)航控制方法計(jì)算出飛行器的預(yù)定航線(xiàn)和實(shí)際航線(xiàn)。
無(wú)人機(jī)內(nèi)回路控制作為外回路控制的基礎(chǔ)，對(duì)其能否穩(wěn)定飛行起著至關(guān)重要的作用。該系統(tǒng)中，內(nèi)回路是由三軸陀螺和傾角傳感器構(gòu)成的姿態(tài)增穩(wěn)控制回路。主要由主控制單片機(jī)、A／D采樣芯片、三軸陀螺儀和傾角傳感器組成。主控制單片機(jī)通過(guò)SPI串行總線(xiàn)與A／D采樣芯片相連，通過(guò)A／D采樣芯片獲得三軸陀螺儀的角速率與傾角傳感器的橫滾角和俯仰角，然后進(jìn)行姿態(tài)信息融合，得到無(wú)人機(jī)俯仰和橫滾的姿態(tài)信息。主要接口連接情況如圖1所示。
圖l中，AD7888是一款高速率、低功耗的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，能達(dá)到125 KSPS的傳輸速率，擁有8路模擬輸入通道。
為片選引腳，該引腳有兩個(gè)作用，即啟動(dòng)AD7888轉(zhuǎn)換器和制定串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，與單片機(jī)引腳PB0(
)相連。SCLK為串行時(shí)鐘輸入引腳，通過(guò)外接單片機(jī)ATmegal28引腳PBl(SCK)提供串行時(shí)鐘信號(hào)。DIN為邏輯數(shù)據(jù)輸入端，DOUT為邏輯數(shù)據(jù)輸出端，分別與ATmegal28的引腳PB2(MOSI)和PB3(MISO)相連。
外部基準(zhǔn)電壓的范圍是Vref～VDD(Vref=1．2 V)。為了獲得穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，采用由TL431組成基準(zhǔn)電壓電路。德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的TL431是一個(gè)有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用電阻R2和R3就可以設(shè)置到從Vref=2．5 V到Vref=36 V范圍內(nèi)的任何值。
單片機(jī)ATmegal28與AD7888通過(guò)串行通信接口SPI相連，分別配置為主機(jī)和從機(jī)。SPI總線(xiàn)允許ATmegal28與外設(shè)之間進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。
三軸陀螺主要用來(lái)測(cè)量無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中俯仰角、橫滾角和偏航角的角速度，并根據(jù)角速度積分計(jì)算角度的改變。該系統(tǒng)中采用日本松下公司的EWTS82(以下簡(jiǎn)稱(chēng)S82)，其原理是將旋轉(zhuǎn)時(shí)音叉震蕩產(chǎn)生的地球偏轉(zhuǎn)力(克里奧利力)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。該三軸陀螺由傳感器件、音叉驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)處理電路構(gòu)成。此款陀螺為一模擬器件，具有+80～-80(°)／s的測(cè)量范圍，單電源(+5 V DC)供電，對(duì)零點(diǎn)漂移抑制較好等優(yōu)點(diǎn)。另外，其低廉的價(jià)格可大大降低開(kāi)發(fā)成本。
傾角傳感器采用芬蘭VTI Technologies公司生產(chǎn)的高精度雙軸傾角傳感器SCAl00T，該傳感器的體積小，重量輕。其內(nèi)部包含了一個(gè)硅敏感電容傳感器和一個(gè)ASIC專(zhuān)用集成電路，既具有內(nèi)部溫度測(cè)量及補(bǔ)償功能，又具備自檢測(cè)功能，單軸最大輸出范圍約為-40～+40 ℃，有效輸出范圍為-30～+30 ℃。當(dāng)采樣頻率為8 Hz及以下時(shí)，可獲得0．002°的輸出分辨率。串行外圍接口SPI的輸出頻率為500 kHz，通過(guò)傳感器元件控制頻率響應(yīng)，能夠承受大于20 000g的機(jī)械振動(dòng)。它具有的主要特點(diǎn)是：x，y雙軸高分辨率雙向測(cè)量，單電源(+5 V DC)供電，工作電流小(3 mA)，噪聲低，工作溫度范圍寬(-40～+125 ℃)等。
評(píng)論