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三自由度直升机的嵌入式控制系统




关键词:
三自由度直升机可以应用于飞行器控制系统的半实物仿真试验和性能测试等场合,用以模拟横列式直升机,即倾转旋翼机的直升机状态[1]。其控制系统属于典型的多输入-多输出系统,具有非线性和强交叉耦合性,不易用传递函数和状态方程描述,是控制系统中较为复杂的被控对象[2,3]。实验室配备的三自由度直升机平台采用PC机+运动控制卡的控制方案,运动控制卡实时测量并控制三自由度直升机平台的飞行姿态,控制量的计算则由PC机完成[4]。该方案偏离了真实直升机的飞行控制系统方案。为此,本文采用嵌入式设计方法重新设计了三自由度直升机的控制系统。在此基础上,改变外接的飞行摇杆的俯仰角和横侧角,并以此为指令信号,实时控制三自由度直升机平台的飞行姿态。通过对飞行摇杆上快捷键的控制,可以实现系统在“辅助操纵”、“全自动驾驶”和“改平”3种工作模式之间的切换。
1 系统工作原理
1.1 系统的整体方案
  系统整体方案如图1所示。其中三自由度直升机由2个直流无刷电机带动,模拟横列式直升机,即倾转旋翼机[1]的直升机状态。

  三自由度直升机可以绕3个相互垂直的轴旋转,分别对应直升机模型的俯仰角、横侧角和航向角。飞行摇杆选用北通公司的幻影318飞行摇杆,利用摇杆的俯仰和横侧转动,输出与摇杆的俯仰角和横侧角对应的直流电压,用于控制三自由度直升机的俯仰角和横侧角的指令信号;利用摇杆手柄上的按钮,输出脉冲信号,用于控制三自由度直升机在不同工作模式之间切换。
1.2 系统的工作模式
  系统具有辅助操纵(有人工操作)、全自动驾驶(无人操作)、(强制)改平3种工作模式[5]。由飞行摇杆上的若干快捷按钮实现对各种工作模式的切换。
1.2.1 辅助操纵
  由人工操纵飞行摇杆的俯仰和倾斜,以此作为三自由度直升机俯仰角和横侧角的指令信号,由嵌入式控制器依据闭环反馈的PID控制律实现整体操纵。
  这种工作模式用于模拟飞机的有人驾驶状态。此时飞行控制系统辅助飞行员通过摇杆对飞机操纵,可以减轻操纵者的工作负担;同时对飞机进行控制增稳,既确保飞机的稳定,又可抵御阵风等外部干扰,减轻扰动对飞行品质的影响。
1.2.2 全自动驾驶
  飞行摇杆对系统的控制被屏蔽,系统以进入该工作模式时刻三自由度直升机的俯仰角和横侧角的当前值为指令信号,由嵌入式控制器依据闭环反馈的PID控制律实现整体操纵。
  这种工作模式用于模拟飞机的无人控制全自动飞行状态。当飞行员人工把飞机操纵到理想的飞行姿态后,通过切换按钮进入这种模式,由飞行控制系统对飞行姿态的当前值进行稳定,保证飞机按刚进入该状态时的各种姿态角、速度、高度、航向飞行;同时对飞机进行控制增稳,提高飞行品质。该工作模式突出体现了飞行控制系统的功能,可以大大降低飞行员的工作量,减轻疲劳。
1.2.3 改平
  系统强制俯仰角和横侧角的指令值都为0,飞行摇杆对系统的控制被屏蔽,以此强制控制三自由度直升机俯仰角和横侧角为0,实现三自由度直升机的水平稳定运行。
 这种工作模式用于模拟飞行控制系统的改平功能。当飞行员遇到突发情况时(如飞行员受伤等),采用这种功能可以很方便地把飞机由任何姿态改变为匀速平飞的稳定状态。当然这种功能也可以用于飞行员平时把飞机拉平的过程,即采用“改平”模式可以方便飞行员的操作。
1.3 系统功能模块
  在图1方案的基础上,可以制定出系统实现“辅助操纵”功能时的整体策略,如图2所示。
       由图2可知,三自由度直升机平台的嵌入式控制器整体上包含接口与控制两方面的功能。接口功能对应为图2中的ADC采样、旋转编码器解码、PWM输出3个功能模块。控制功能是采用基于反馈系统的PID控制方法计算控制信号,对应为图中的PID控制功能模块。

  在图2的基础上进行修改,就可以获得嵌入式控制器的“全自动操纵”和“改平”工作模式的实现方法。区别在于闭环控制系统指令信号的来源不同。这两种模式下,图2中的指令信号不再由摇杆给定,摇杆的功能被屏蔽。“全自动操纵”模式下,指令信号为刚刚进入该工作模式时刻三自由度直升机平台输出的测量值;“改平”模式下,俯仰角和横侧角值的指令信号都为0。
2 硬件与软件设计
2.1 硬件设计
  硬件部分的主体是嵌入式控制盒。控制盒由EasyARM1138开发板[6]、信号调理板和机箱外壳3部分组成。
2.1.1 EasyARM1138开发板
  EasyARM1138使用32 bit ARM Cortex-M3内核,具有丰富的接口资源。具体配置如下:
  (1)采用EasyARM1138的2个ADC端口(ADC0、ADC1)测量飞行摇杆输入的模拟电压信号,采用软件等比例地换算成对应的角度信号,由此实现对飞行摇杆的指令角度信号的测量。
  (2)采用EasyARM1138的3个GPIO口(PB0、PF6、PF4)测量三自由度直升机的俯仰角信号的输出脉冲,3个GPIO口(PB2、PF1、PF2)测量三自由度直升机的横侧角信号的输出脉冲。通过软件编程,采用中断的方法实现脉冲计数,由此实现对三自由度直升机飞行姿态的测量。
  (3)采用EasyARM1138的Time2模块产生PWM信号,将Timer2模块中的TimerA和TimerB配置为16位的递减计数器,其对应的EasyARM1138上的2个GPIO口(PF7和PC4)的PWM输出作为三自由度直升机的2个直流无刷电机的控制信号,通过调整TimerA和TimerB中的匹配值来等效地调整2个直流无刷电机的输入电压,从而实现对这两个直流无刷电机转速的控制。

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