无人机舵机控制系统的硬件设计与实现.docx

无人机舵机控制系统的硬件设计与实现

杨林河+郑钦丞

无人机舵机是由直流电机、舵机控制器、多个传感器和必要的机械支撑机构组成的一套自动控制系统。作为飞行控制中心和舵机之间的信息连接桥梁，它能够通过人工在线编程，实现对无人飞行器多级的伺服控制，具有制作成本低、性能高、安全稳定等优点。文章首先对无人机舵机控制系统进行了简单概述，随后对控制系统中各个部分的硬件组成进行了详细介绍，最后通过系统的软件设计，对其功能的实现进行了分析。
【关键词】无人机舵机 控制系统 硬件组成 软件设计
1 无人机舵机控制系统概述
目前，市面上流行的舵机形状和种类十分丰富，但是舵机内部的主要功能模块基本相同，其主要的组成和功能如下。
舵机控制器是整个无人机控制系统的中心，内部有中央控制器、数据存储器、驱动模块等。中央控制器的主板是单片机，可以人工写入语言程序，完成定向控制。通常情况下，舵机的主要运行流程是：首先，操作人员启动单片机，并运行相应的控制程序；单片机将程序指令以二进制信号形式发送给上位机，上位机将电信号转化为一舵偏角指令，经过单片机的各个数据串口，传送到舵机的调节单元。其次，调节单元将接受到的偏角指令与PWM进行对比，将对比结果定义为A；随后调节单元测量舵机实际转速，当转速大于系统设定值时，将超出量定义为B；最后检测整个系统的实际电流，所得结果输出给PWM，定义为C。将上述测定结果输入到无刷直流电机的HALL传感器中，生成对应的霍尔信号HA、HB、HC。最后，电机接受霍尔信号，并驱动电动机转动，减速器输出驱动舵面。系统运作流程如图1所示。
2 舵机控制器的硬件组成
2.1 主控芯片
主控芯片采用Atmel公司制造的COR-M3型CPU，也是目前无人机舵机控制系统中应用最为广泛的一种主控芯片，其主要特点有：
（1）采用32位集成系统，最高工作频率可达72MHz，存储容量可达512KB，数据库内能够存储海量编程语言，能够实现丰富的系统操作。
（2）芯片自带UART，并且设置两个通行串口，能够同时对不同的上位机进行操作，保证了无人机舵机控制系统的持续运行。另外，两个通行串口相互独立，便于内部数据的传递，提高了控制系统的工作效率。
（3）芯片上设置中断源，当舵机控制系统启动报警器后，中断源能够及时响应，并调用数据库中的程序质量，处理突发问题，提高了系统运行的稳定性。
主控芯片集成了整个控制系统的绝大多数控制程序，能够完成电流反馈、信息处理、编程控制等多项功能。另外，COR-M3型CPU还具有自动保存功能，当系统出现故障时，能够及时生产故障诊断文件，并存在在数据库中，避免今后出现相同的问题。
2.2 无刷电机
普通的直流电机不能将舵机的旋转角度信息反馈给控制单元，因此也就不能实现对无人机舵机的有效控制。无刷电机能够接受主控芯片的控制信号，并在一定角度内持续转动，为整个无人机控制系统提供持续的电流。本文研究所选用的无刷电机为MAXII系列的EPM-220，该器件具有工作电压低、反应灵敏、可在线编程等特点，能够通过更改程序指令，实现对电子开关的动作控制，从而确保了整个舵机系统电机转动的稳定性。与传统的直流电机相比，大大降低了舵机CPU的功率损耗。
2.3 功率驱动
功率驱动电路是控制电路中的主要组成部分，本次研究选用的驱动电路为MSK-401，其应用优势主要有电压负载大、输出电流高，能够大大简化舵机控制系统的电路结构。无论是使用效率还是后期维护，都具有显著的优越性。另外，考虑到舵机控制系统运行中对电压的输出稳定性要求较多，功率驱动电路还外加整流桥和稳压设备，能够确保舵机控制系统得到持续、稳定的电压输出。
2.4 信号检测
信号实时反馈是无人机舵机控制功能发挥的重要因素，从系统功能上来看，舵机控制系统所产生的反馈信号主要包括三类：舵面位置信号、无刷电机的电流、电机转速。舵机主控芯片通过收集、整理三类型号，生产相应的动作指令，确保了控制系统能够准确无误的完成操作指令。因此，在舵机控制系统的硬件设计过程中，必须加强内部控制信号的检测，一方面要提高反馈信号的精确度，另一方面则要保证信号反馈的及时性。
2.5 ADC转换电路
舵机控制系统的转换电路中设置有4个单口双向通道，每个ADC电路均采用集成模块，以保证电路运行的稳定性。四个单口双向通道均有不同的功能，一号通道主要用于电压信号的收集；二号通道主要用于电流信号的收集；三号通道负责对舵机控制系统的模拟信号进行控制；四号通道主要用于检测电位器的实时电压，当瞬时电压升高时，及时启动保护开关，避免电路烧毁。
3 系统软件设计
系统的软件设计是控制系统的重要组成部分，合理组织软件结构可提高可读性、可移植性和可扩展性等问题。设计的软件应尽量使各个功能模块独立，这样有利于系统软件的修改与调试。舵机控制系统的软件主要包括以下几个功能模块：数据采集和通信模块、控制算法模块、PWM产生模块以及各种管理监测模块。其中，數据通信模块主要涉及CAN总线数据的接收和发送，数据采集处理包括舵面位置、电机电流以及参考电压的采集处理，PWM模块包括输出PWM波和获取脉冲编码器的读数等。
参考文献
[1]王长胜，张志贤，孙艳萍.基于微机的某型无人机飞控系统的硬件设计及软件实现[J].电子测量技术，2016（07）：164-165.
[2]张兆讯，叶洪波.高空长航时无人机飞控计算机仿真机系统余度管理技术研究[J].南京航空航天大学学报，2014（21）：109-111.
[3]郝天鹏，刘光辉.基于双DSC的无人机飞控计算机核心系统的设计与实现[J].华中科技大学学报，2014（09）：131-133.
作者单位
禹州市第一高级中学 河南省禹州市 461670

-全文完-