三自由度直升機(jī)的嵌入式控制系統(tǒng)

三自由度直升機(jī)可以應(yīng)用于飛行器控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)和性能測(cè)試等場(chǎng)合，用以模擬橫列式直升機(jī)，即傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的直升機(jī)狀態(tài)[1]。其控制系統(tǒng)屬于典型的多輸入-多輸出系統(tǒng)，具有非線(xiàn)性和強(qiáng)交叉耦合性，不易用傳遞函數(shù)和狀態(tài)方程描述，是控制系統(tǒng)中較為復(fù)雜的被控對(duì)象[2，3]。實(shí)驗(yàn)室配備的三自由度直升機(jī)平臺(tái)采用PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡的控制方案，運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)時(shí)測(cè)量并控制三自由度直升機(jī)平臺(tái)的飛行姿態(tài)，控制量的計(jì)算則由PC機(jī)完成[4]。該方案偏離了真實(shí)直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)方案。為此，本文采用嵌入式設(shè)計(jì)方法重新設(shè)計(jì)了三自由度直升機(jī)的控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，改變外接的飛行搖桿的俯仰角和橫側(cè)角，并以此為指令信號(hào)，實(shí)時(shí)控制三自由度直升機(jī)平臺(tái)的飛行姿態(tài)。通過(guò)對(duì)飛行搖桿上快捷鍵的控制，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在“輔助操縱”、“全自動(dòng)駕駛”和“改平”3種工作模式之間的切換。
1 系統(tǒng)工作原理
1.1 系統(tǒng)的整體方案
　　系統(tǒng)整體方案如圖1所示。其中三自由度直升機(jī)由2個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)，模擬橫列式直升機(jī)，即傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)[1]的直升機(jī)狀態(tài)。

　　三自由度直升機(jī)可以繞3個(gè)相互垂直的軸旋轉(zhuǎn)，分別對(duì)應(yīng)直升機(jī)模型的俯仰角、橫側(cè)角和航向角。飛行搖桿選用北通公司的幻影318飛行搖桿，利用搖桿的俯仰和橫側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出與搖桿的俯仰角和橫側(cè)角對(duì)應(yīng)的直流電壓，用于控制三自由度直升機(jī)的俯仰角和橫側(cè)角的指令信號(hào)；利用搖桿手柄上的按鈕，輸出脈沖信號(hào)，用于控制三自由度直升機(jī)在不同工作模式之間切換。
1.2 系統(tǒng)的工作模式
　　系統(tǒng)具有輔助操縱(有人工操作)、全自動(dòng)駕駛(無(wú)人操作)、(強(qiáng)制)改平3種工作模式[5]。由飛行搖桿上的若干快捷按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)各種工作模式的切換。
1.2.1 輔助操縱
　　由人工操縱飛行搖桿的俯仰和傾斜，以此作為三自由度直升機(jī)俯仰角和橫側(cè)角的指令信號(hào)，由嵌入式控制器依據(jù)閉環(huán)反饋的PID控制律實(shí)現(xiàn)整體操縱。
　　這種工作模式用于模擬飛機(jī)的有人駕駛狀態(tài)。此時(shí)飛行控制系統(tǒng)輔助飛行員通過(guò)搖桿對(duì)飛機(jī)操縱，可以減輕操縱者的工作負(fù)擔(dān)；同時(shí)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行控制增穩(wěn)，既確保飛機(jī)的穩(wěn)定，又可抵御陣風(fēng)等外部干擾，減輕擾動(dòng)對(duì)飛行品質(zhì)的影響。
1.2.2 全自動(dòng)駕駛
　　飛行搖桿對(duì)系統(tǒng)的控制被屏蔽，系統(tǒng)以進(jìn)入該工作模式時(shí)刻三自由度直升機(jī)的俯仰角和橫側(cè)角的當(dāng)前值為指令信號(hào)，由嵌入式控制器依據(jù)閉環(huán)反饋的PID控制律實(shí)現(xiàn)整體操縱。
　　這種工作模式用于模擬飛機(jī)的無(wú)人控制全自動(dòng)飛行狀態(tài)。當(dāng)飛行員人工把飛機(jī)操縱到理想的飛行姿態(tài)后，通過(guò)切換按鈕進(jìn)入這種模式，由飛行控制系統(tǒng)對(duì)飛行姿態(tài)的當(dāng)前值進(jìn)行穩(wěn)定，保證飛機(jī)按剛進(jìn)入該狀態(tài)時(shí)的各種姿態(tài)角、速度、高度、航向飛行；同時(shí)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行控制增穩(wěn)，提高飛行品質(zhì)。該工作模式突出體現(xiàn)了飛行控制系統(tǒng)的功能，可以大大降低飛行員的工作量，減輕疲勞。
1.2.3 改平
　　系統(tǒng)強(qiáng)制俯仰角和橫側(cè)角的指令值都為0，飛行搖桿對(duì)系統(tǒng)的控制被屏蔽，以此強(qiáng)制控制三自由度直升機(jī)俯仰角和橫側(cè)角為0，實(shí)現(xiàn)三自由度直升機(jī)的水平穩(wěn)定運(yùn)行。
這種工作模式用于模擬飛行控制系統(tǒng)的改平功能。當(dāng)飛行員遇到突發(fā)情況時(shí)(如飛行員受傷等)，采用這種功能可以很方便地把飛機(jī)由任何姿態(tài)改變?yōu)閯蛩倨斤w的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)然這種功能也可以用于飛行員平時(shí)把飛機(jī)拉平的過(guò)程，即采用“改平”模式可以方便飛行員的操作。
1.3 系統(tǒng)功能模塊
　　在圖1方案的基礎(chǔ)上，可以制定出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“輔助操縱”功能時(shí)的整體策略，如圖2所示。
由圖2可知，三自由度直升機(jī)平臺(tái)的嵌入式控制器整體上包含接口與控制兩方面的功能。接口功能對(duì)應(yīng)為圖2中的ADC采樣、旋轉(zhuǎn)編碼器解碼、PWM輸出3個(gè)功能模塊。控制功能是采用基于反饋系統(tǒng)的PID控制方法計(jì)算控制信號(hào)，對(duì)應(yīng)為圖中的PID控制功能模塊。

　　在圖2的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，就可以獲得嵌入式控制器的“全自動(dòng)操縱”和“改平”工作模式的實(shí)現(xiàn)方法。區(qū)別在于閉環(huán)控制系統(tǒng)指令信號(hào)的來(lái)源不同。這兩種模式下，圖2中的指令信號(hào)不再由搖桿給定，搖桿的功能被屏蔽?！叭詣?dòng)操縱”模式下，指令信號(hào)為剛剛進(jìn)入該工作模式時(shí)刻三自由度直升機(jī)平臺(tái)輸出的測(cè)量值；“改平”模式下，俯仰角和橫側(cè)角值的指令信號(hào)都為0。
2 硬件與軟件設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
　　硬件部分的主體是嵌入式控制盒?？刂坪杏蒃asyARM1138開(kāi)發(fā)板[6]、信號(hào)調(diào)理板和機(jī)箱外殼3部分組成。
2.1.1 EasyARM1138開(kāi)發(fā)板
　　EasyARM1138使用32 bit ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有豐富的接口資源。具體配置如下：
　　(1)采用EasyARM1138的2個(gè)ADC端口(ADC0、ADC1)測(cè)量飛行搖桿輸入的模擬電壓信號(hào)，采用軟件等比例地?fù)Q算成對(duì)應(yīng)的角度信號(hào)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行搖桿的指令角度信號(hào)的測(cè)量。
　　(2)采用EasyARM1138的3個(gè)GPIO口(PB0、PF6、PF4)測(cè)量三自由度直升機(jī)的俯仰角信號(hào)的輸出脈沖，3個(gè)GPIO口(PB2、PF1、PF2)測(cè)量三自由度直升機(jī)的橫側(cè)角信號(hào)的輸出脈沖。通過(guò)軟件編程，采用中斷的方法實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)三自由度直升機(jī)飛行姿態(tài)的測(cè)量。
　　(3)采用EasyARM1138的Time2模塊產(chǎn)生PWM信號(hào)，將Timer2模塊中的TimerA和TimerB配置為16位的遞減計(jì)數(shù)器，其對(duì)應(yīng)的EasyARM1138上的2個(gè)GPIO口(PF7和PC4)的PWM輸出作為三自由度直升機(jī)的2個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)的控制信號(hào)，通過(guò)調(diào)整TimerA和TimerB中的匹配值來(lái)等效地調(diào)整2個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)的輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這兩個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。
2.1.2 信號(hào)調(diào)理板
　　由于GPIO測(cè)量的8個(gè)信號(hào)(三自由度直升機(jī)的角度信號(hào)對(duì)應(yīng)的6個(gè)脈沖信號(hào)和飛行搖桿對(duì)應(yīng)的2個(gè)角度信號(hào))在實(shí)際測(cè)量時(shí)不可避免地存在噪聲，被噪聲污染的信號(hào)直接送入EasyARM1138會(huì)使測(cè)量出現(xiàn)很大的誤差，從而對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。嚴(yán)重時(shí)會(huì)使三自由度直升機(jī)的電機(jī)以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行，此時(shí)系統(tǒng)實(shí)際上已經(jīng)發(fā)散，無(wú)法平衡。
　　EasyARM1138的GPIO需要測(cè)量的8個(gè)信號(hào)量先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理以后，再送入EasyARM1138。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，而且動(dòng)態(tài)性能理想。
2.1.3 控制盒
　　嵌入式控制器的外部采用通用的塑料機(jī)箱外殼，在其側(cè)面開(kāi)口用于安放各種接口?？刂坪姓w采用外接的5 V、2 A電源供電，盒上保留了與外部穩(wěn)壓整流電源的插口。盒上安放了一個(gè)電源開(kāi)關(guān)用于對(duì)控制盒的供電進(jìn)行控制，并用一個(gè)LED二極管指示燈指示電源的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
　　控制盒的端面安放了一個(gè)橙色的無(wú)鎖開(kāi)關(guān)，用來(lái)對(duì)EasyARM1138進(jìn)行復(fù)位操作。在該端面同時(shí)有一個(gè)DB9的插孔，用于和來(lái)自飛行搖桿(北通瞬風(fēng)318飛行搖桿改裝)的DB9插頭相連接。在另一端面安放了一個(gè)DB25插孔，用于和來(lái)自三自由度直升機(jī)的DB25插頭相連。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
　　全部軟件基于IAR Embedded Workbench for ARM編程平臺(tái)[7]，在μC/OSII操作系統(tǒng)中使用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。生成的全部軟件通過(guò)外接的USB電纜下載至EasyARM1138。軟件整體上分為接口和控制兩個(gè)功能模塊。
2.2.1 接口功能的實(shí)現(xiàn)
　　(1)ADC采樣
　　飛行搖桿上下?lián)u動(dòng)給出俯仰信號(hào)，左右搖動(dòng)給出橫側(cè)信號(hào)，2路信號(hào)通過(guò)濾波電容進(jìn)行整形，送到EasyARM1138開(kāi)發(fā)板的ADC，ADC同時(shí)將2路連續(xù)的模擬電壓轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量。通過(guò)電壓的比例換算，計(jì)算出飛行搖桿給出的俯仰與橫側(cè)的角度。
　　EasyARM1138開(kāi)發(fā)板的ADC采樣模塊提供的最大電壓為3.3 V，設(shè)置搖桿輸入的電壓量程為0 V～3.3 V，ADC采樣率為125 kS/s。ADC模塊的轉(zhuǎn)換分辨率為10 bit，其轉(zhuǎn)換范圍為0～1 024。當(dāng)搖桿模擬信號(hào)輸入到ADC，ADC將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量ulVal0，則搖桿輸入的電壓值ulVal1=(ulVal0/1 024)×3 300。再根據(jù)三自由度直升機(jī)俯仰角的范圍0°～60°將搖桿的電壓值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的角度值，即搖桿輸入俯仰的角度angle02 =ulVal1/3 300×60。同理可以將搖桿輸入橫側(cè)的角度算出來(lái)。
　　(2)旋轉(zhuǎn)編碼器解碼
　　三自由度直升機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)信號(hào)是通過(guò)3個(gè)光電旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)傳送到控制盒中的，為了檢測(cè)俯仰與橫側(cè)的角度，需要對(duì)編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，算出當(dāng)前俯仰與橫側(cè)的角度。
　　編碼器輸出的是相位差為90°的A相和B相兩對(duì)差分脈沖信號(hào)。從A、B 2個(gè)輸出信號(hào)的相位關(guān)系（超前或滯后）可判斷編碼器旋轉(zhuǎn)的方向。當(dāng)編碼器碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖波形比B道超前π/2，而反轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖波形比B道滯后π/2[8]。旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的波形信號(hào)如圖3。

　　對(duì)于俯仰時(shí)編碼器輸出的兩對(duì)差分信號(hào)A+與A-和B+與B-，可以只用A+、B+、B-這3個(gè)信號(hào)測(cè)量俯仰角度數(shù)。采用EasyARM1138開(kāi)發(fā)板GPIO的邊沿觸發(fā)中斷，設(shè)B+與B-的脈沖上升沿觸發(fā)產(chǎn)生中斷。當(dāng)B+脈沖產(chǎn)生中斷時(shí)，檢測(cè)A+脈沖輸入的高低電平，同時(shí)對(duì)B+脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。如圖4所示，若A+為高電平可判斷A超前B，計(jì)數(shù)變量FA1自動(dòng)加1（設(shè)計(jì)數(shù)變量初值FA1=30 000）；若為低電平可判斷A滯后B，計(jì)數(shù)變量FA1自動(dòng)減1。為了消除三自由度直升機(jī)平衡桿抖動(dòng)帶來(lái)的脈沖計(jì)數(shù)誤差，對(duì)B-脈沖設(shè)置了中斷計(jì)數(shù)，這樣相當(dāng)于對(duì)脈沖B進(jìn)行了二倍頻計(jì)數(shù)。當(dāng)B-上升沿脈沖產(chǎn)生中斷時(shí)，檢測(cè)A+脈沖輸入的高低電平，同時(shí)對(duì)B-脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。若A+為高電平可判斷A滯后B，計(jì)數(shù)變量FA1自動(dòng)減1；若為低電平可判斷A超前B，計(jì)數(shù)變量FA1自動(dòng)加1。