四旋翼微型飞行器控制系统设计.pdf

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匪至蔓亘受至困：兰羔兰墨茎兰兰；茎篁二釜釜四旋翼微型飞行器控制系统设计：丝：杨明志1，王敏2MiniFour—rotorn州controlDesignofFlightControlSystemforRotorcraftMingzhil。Wang2．College引言1设计和功能(I．南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016；2．安徽师范大学数学计算机学院，安徽芜湖Min2University，Wuhu由于微型飞行器在军事和民用领域具有广阔的应用前景，近年来，众多的科学家致力于微型飞行器的研究。本文从四旋翼微型飞行器的机型特点和实际需要出发，结合C8051F单片机的优越性能，以C8051F020单片机为计算控制单元，设计了四旋翼微型飞行器飞行控制系统的硬件。该系统体积小、重量轻、功耗低，且结构简单、价格低廉，并能以此为硬件平台，研究各种复杂控制方法。C8051F020是Cygnal公司开发的工业级全集成混合信号片上系统单片机[1]，具有与MCS一51内核及指令集兼容的ClP一51内核(运算速度高达25兆指令／秒)；C805IF020具有片内调试电路，通过JTAG接口，可以进行非侵入式、全速、在系统调试；C8051F020的片内资源包括：64个通用数字I／0端口、64KBFlash存储器、4352BRAM、8通道12位ksps的AD转换器、2个12位DA转换器、2个模拟量比较器、5个通用定时器和可编程计数器阵列(PCA)。另外它还具有外部数据存储器接口(EDMI)、SM—Bus／12C总线、SPI总线、2路UART总线、片内电源监视、片内温度监视、片内看门狗定时器和片内时钟源等。这些外设的高度集成，为设计体积小、功耗低、性能好的单片机应用系统提供了方便，可降低系统的整体成本。1．1控制系统设计典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾浆。但也存在其他类型的直升机，如双转轴或串列式直升机，同轴直升机等。他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。而四旋翼微型飞行器与此不同，是通过调节4个电机转速来改变螺旋桨速度，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。四旋翼微型飞行器没有自动倾斜器。其整机升力由4个电机提供。由于飞行器是通过改变螺旋桨速度实现升力变化，这样会导致其动力不稳定，所以需要一种能够确保长期稳定的控制方法。四旋翼微型飞行器是一种六自由度的垂直起降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行；但是，四旋翼直升机只有4个输入力，同时却有6个输出，所以它又是一种欠驱动系统。图l为四旋翼微型飞行器的结构俯视图乜]。与传统直升机相比，该飞行器有下列优势：侧面电机1、3顺时针旋转的同时，前后电机2、4逆时针旋转。因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消¨]。中华测控网文章编号：1671—4598(2008)04—0485—03中圈分类号：V247．1；TP391．8文献标识码：A摘要：四旋翼微型飞行器是一种以4个电机作为动力装置。通过调节电机转速来控制飞行的欠驱动系统；为了实现四旋翼微型1毛行器的自主飞行控制，对飞行控制系统进行了初步设计，并且以C8051F020单片机为计算控制单元，给出了飞行控制系统的硬件设计。研究了设计中的关键技术l由于采用贴片封装和低功耗的元器件，使飞行器具有重量轻、体积小、功耗低的优点；经过多次室内试验，该硬件设计性能可靠，能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求。关键词：四旋翼微型飞行器l飞行控制系统；单片机；PWMYangAutomation＆-Engineering，NanjingAstronautics，NanjingMathematicsproposed．Thehardwareoff，hovering，andlandingO和8通道lO位100收稿日期：2007—06—02；修回日期：2007—07—12。作者简介：扬明志(1978一)，男，安徽芜湖人，硕士研究生，助理工程师，主要从事无人直升机先进控制理论及应用方向的研究。四旋翼微型飞行器的结构俯视图chinamca．com241000)a(1．CollegeUniversityAeronauticsand210016，China；ComputerScience，AnhuiNornlal24i000，China)Abstract：Thefour—rotorminirotorcraftunder—actuatedsystem，whichpoweredfourmotorsfliesbyadjustingthespeedmotors．Inautonomousflightrotorcraft．thepreliminarytmlsystemdesignedbasedsingIe—chipmicr