無人機載光電任務(wù)設(shè)備升降機構(gòu)的控制器設(shè)計

摘要：介紹了無人機載光電任務(wù)設(shè)備升降機構(gòu)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成及其控制器設(shè)計。控制器采用C8051F320單片機，驅(qū)動電路選用高集成度、高性價比、高可靠性和高效率的驅(qū)動芯片MSK4310實現(xiàn)。與傳統(tǒng)分立元件方法相比，簡化了80%的電路設(shè)計，節(jié)省了50%的結(jié)構(gòu)尺寸。系統(tǒng)實現(xiàn)了光電任務(wù)設(shè)備的自主升降以及到位停止等自動控制功能。

保證了無人機在起飛、降落時其所配備光電任務(wù)設(shè)備的安全性。

無人機載光電任務(wù)設(shè)備升降機構(gòu)是為了實現(xiàn)光電任務(wù)設(shè)備在特定空域自主升降而設(shè)計的。當(dāng)無人機在巡航時，升降機構(gòu)將光電設(shè)備降至合適的位置，保證其搜索、探測、識

別、跟蹤等功能的無障礙實現(xiàn);當(dāng)無人機在起飛和降落時，升降機構(gòu)將光電設(shè)備升至無人機艙段內(nèi)的安全位置，使其在受到較大沖擊時，免受損壞，保證其安全性;同時，當(dāng)無人機不使用光電設(shè)備時，升降機構(gòu)將其升起至機艙艙段內(nèi)，也可以保證無人機飛行時的機體空氣動力學(xué)特性。因此，升降機構(gòu)的可靠正常工作是光電任務(wù)設(shè)備完成任務(wù)使命和安全使用的前提，基于此，要求升降機構(gòu)及其控制器安全系數(shù)高、可靠性好，同時為滿足無人機裝載條件，要求體積重量小。

1 升降機構(gòu)簡介

升降機構(gòu)為無人機載產(chǎn)品，機構(gòu)實現(xiàn)遵循簡捷、適用、重量輕、體積小等原則，保證升降運動平穩(wěn)自如、可靠安全。機構(gòu)具有限位功能，在升降的任意位置有良好的自鎖功能。本文所控制的升降機構(gòu)如圖1所示，選擇行星輪同步帶升降機構(gòu)設(shè)計，升降機構(gòu)由升降平臺和控制盒兩部分組成，控制盒置于平臺外側(cè)。升降平臺由三個薄壁框架、四根光桿及四根絲杠組成整體框架。其中第一層、第三層薄壁框架是固定框架，這兩層框架通過光桿及絲杠連接起來，支撐起整個升降平臺，兩層框架上均開有孔洞，保證光電設(shè)備的無障礙升降運動。第二層薄壁框架是活動框架，光電設(shè)備通過安裝螺栓固定在該層框架上，用電機通過同步齒形帶帶動絲杠轉(zhuǎn)動驅(qū)使活動框架上下運動來達到升降光電設(shè)備的目的。

2 控制器工作原理

控制器以單片機C8051F320為升降機構(gòu)主控芯片，結(jié)合芯片MSK4310的功率放大作用，配合限位開關(guān)實現(xiàn)定點升降功能。

升降機構(gòu)的工作原理是：當(dāng)系統(tǒng)上電，升降機構(gòu)初始化，上升至頂位，等待飛機發(fā)送控制指令。當(dāng)飛機給出控制信號，系統(tǒng)自動判斷上升或者下降。同時判斷是否上到位或者下到位。到位后，給飛機返回到位指令。工作原理見圖2。

3 控制器硬件設(shè)計

升降機構(gòu)控制器主要由C8051單片機和MSK公司生產(chǎn)的驅(qū)動芯片MSK4310組成，主要包括電氣接口部分、光電隔離部分、數(shù)字信號處理模塊、差分輸出模塊、電機驅(qū)動控制模塊。飛機控制信號通過光耦器件PS2805轉(zhuǎn)化為單片機I/O口可以接受的3.3  V，單片機對輸入的數(shù)據(jù)進行算法處理，通過差分輸出模塊得到差分電壓信號給電機驅(qū)動控制模塊，生成相應(yīng)PWM波輸出給電機。整個系統(tǒng)如圖3所示。

3.1 光電隔離

控制器在數(shù)字信號輸入級用到了光電隔離技術(shù)。在輸入級，由于單片機接收的控制信號為3.3  V，為了避免飛機給的高電壓控制信號CON損壞單片機I/O口，兩級之間加入光耦PS2805芯片，具體如圖4所示。

3.2 數(shù)字信號處理模塊

控制器數(shù)字信號處理模塊是以單片機C8051F320為主處理芯片MCU，實時采集飛控信號、到位信號等進行數(shù)據(jù)處理。單片機內(nèi)集成了17通道模擬多路選擇器(AMUX0)和1個200  ksps的10位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。MCU接收到控制信號高低電平時，P1.2口和P1.3口輸出相反電平，經(jīng)過兩片LM193比較器進行電壓比較，形成差分輸出電壓信號，比較器后級接上拉電阻提高輸出驅(qū)動能力。

3.3 電機驅(qū)動控制模塊

傳統(tǒng)分立元件MOSFET搭建三相橋電路，不但結(jié)構(gòu)尺寸較大，容易出現(xiàn)信號波形失真等情況，而且其外圍驅(qū)動電路復(fù)雜，還需加入硬件  HALL解碼或者在MCU內(nèi)加入軟件HALL解碼。與其相比，MSK公司的驅(qū)動芯片MSK4310集成波形發(fā)生器電路、門驅(qū)動電路、HALL解碼電路、限流保護電路、速度環(huán)于一體，其結(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉、集成度高、可靠性好。電機驅(qū)動外圍電路如圖5所示。

選用三相無刷直流電機為升降執(zhí)行元件，通過接收A、B、C三相PWM波驅(qū)使電機正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，達到使負(fù)載上升下降的目的。電機采用制動器制動，制動器正常工作電壓為+24  V，當(dāng)制動器掉電，電機呈現(xiàn)抱死狀態(tài)。系統(tǒng)在高速運行中突然出現(xiàn)電機抱死狀態(tài)，會出現(xiàn)硬力碰撞，從而傷害電機、損壞機構(gòu)。為了避免上述情況，系統(tǒng)采用軟剎車功能，當(dāng)CPU判斷到位時。先由CPU送BRAKE剎車信號給功率放大模塊，電機減速至停止，待電機停止之后，制動器斷電，電機緊緊抱死，設(shè)備被準(zhǔn)確定位。采用這種控制策略，容易控制，安全性好，可靠性高。

4 控制器軟件設(shè)計

軟件采用C語言進行模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主程序由時鐘初始化、I/O口初始化和主函數(shù)等構(gòu)成。本著簡化程序復(fù)雜度，提高程序可靠度的原則，對程序源代碼進行了一層層的

優(yōu)化。

上電進行時鐘、I/O初始化，判斷單片機P1.5口是否為高電平，若為高說明收到上升指令，電機上升，然后判斷單片機P1.2口是否為低電平，若為低說明已經(jīng)上到位，然后停止。反之亦然。圖6為系統(tǒng)程序流程圖。

5 試驗結(jié)果及結(jié)論

在室溫、負(fù)載25kg條件下，完成300次升降，記錄30組數(shù)據(jù)，如圖7所示。

系統(tǒng)要求升降機構(gòu)上升時間和下降時間小于等于20秒，通過試驗結(jié)果可以看出，機構(gòu)運行時間準(zhǔn)確性高，能夠準(zhǔn)確完成系統(tǒng)的任務(wù)要求。同時機構(gòu)性能穩(wěn)定，上升下降平穩(wěn)，控制器發(fā)熱量小。達到了預(yù)期的控制效果?？刂破骶哂腥缦绿攸c：

1)升降機構(gòu)控制器采用MCU進行數(shù)字信號處理。單片機C8051成熟度高、可靠性好。

2)功率放大部分選用了集成度更高的MSK4310，與傳統(tǒng)分立元件相比，集成度更高、抗干擾能力更強、控制更容易、結(jié)構(gòu)尺寸更小。

3)系統(tǒng)升降速率可以通過調(diào)整差分輸出模塊的特定電阻阻值調(diào)節(jié)分壓，進行無極線性調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為1 V到5 V，操作方便。

6 結(jié)論

通過實驗驗證，升降機構(gòu)的行星輪同步帶設(shè)計保證了設(shè)備升降的平行性和穩(wěn)定性，而升降機構(gòu)控制器的設(shè)計極大提高了機構(gòu)的自動化水平。本設(shè)計為升降機構(gòu)高安全系數(shù)、高可靠性提供了保證，同時為無人機載設(shè)備小型化做出了貢獻。同時，這一設(shè)計適用于大多數(shù)三相電機的控制系統(tǒng)，有很強的實用價值。