固定翼飛機(jī)豎直飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

軟件描述

　　主控MCU部分，流程圖見圖5。

　　·讀取遙控信號：這個(gè)遙控信號見圖5右上角，是9個(gè)脈沖組成的脈沖串，每20ms一串，讀取的方法如下，由TPM捕捉到脈沖的上升沿進(jìn)入模定時(shí)器捕捉中斷程序后，先看是不是脈沖串里的第一個(gè)，若是就把定時(shí)器清零，然后把捕捉值存入數(shù)組，這樣9次后，數(shù)組里就由低到高地存下了每個(gè)脈沖發(fā)生的時(shí)間，用減法一算，各脈沖寬度就出來了。為防止出錯(cuò)，附加了脈沖數(shù)錯(cuò)誤預(yù)防，就是對脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果在一個(gè)脈沖串里讀到了多于9個(gè)脈沖就意味著有干擾了，需要盡快把所有脈寬按中間值1.5ms處理。這樣雖然和遙控器發(fā)出的指令不一樣，但減少了出大問題的機(jī)會。

　　·8ms定時(shí)中斷：系統(tǒng)有一個(gè)模定時(shí)器18ms中斷程序，因?yàn)檎５拿}沖串9個(gè)脈沖不會超過18ms，所以可以讓定時(shí)器在第一個(gè)脈沖開始時(shí)計(jì)數(shù)，計(jì)到18ms就認(rèn)為一個(gè)脈沖串結(jié)束，把脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器清零。模定時(shí)器捕捉中斷程序里看到這個(gè)計(jì)數(shù)器被清零了就知道下一個(gè)脈沖串開始了。這個(gè)中斷還為PID的定時(shí)運(yùn)算提供時(shí)間標(biāo)志，每進(jìn)入一次中斷就把標(biāo)志置位，主程序讀到標(biāo)志被置位就進(jìn)行PID運(yùn)算，這樣就保證了PID運(yùn)算的周期是固定的。

　　·1.67ms中斷程序和A/D中斷程序：為了讀取MMA7260QT輸出的數(shù)據(jù)需要用A/D讀值，這里每1.6667ms進(jìn)入中斷一次設(shè)定A/D通道，讀完三個(gè)通道用時(shí)5ms，在兩個(gè)脈沖串的標(biāo)準(zhǔn)間隔20ms內(nèi)可以各讀4次，用滑動(dòng)平均值算法后可以濾除干擾。

主程序介紹

　　雖然傳感器都是水平放置的，但因?yàn)闇囟入妷旱鹊牟煌?，三個(gè)軸的輸出和計(jì)算的輸出是不一樣的，會有少許偏差，為了解決這個(gè)問題，在上電后先對三個(gè)軸的值連續(xù)讀64次后平均，把這個(gè)平均值作為飛機(jī)要穩(wěn)定的目標(biāo)值，這樣飛機(jī)就基本穩(wěn)定了。

　　提到穩(wěn)定，PID功不可沒，主程序里的PID有兩處要提一下。一是因?yàn)閭鞲衅鞯姆€(wěn)定性問題和飛機(jī)的抖動(dòng)，A/D輸出值差2、3個(gè)數(shù)是很正常的，所以在主程序里要判斷一下，如果誤差值在3以內(nèi)，則不進(jìn)行PID運(yùn)算，這樣就減少了舵機(jī)無謂的抖動(dòng)；二是因?yàn)轱w機(jī)的前后左右重量不一致，所以在飛機(jī)前傾后仰左右擺動(dòng)時(shí)要用不同的P值計(jì)算。

　　主程序每20ms更新一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)就是前后左右上下的控制脈沖的寬度。這個(gè)數(shù)據(jù)是把模定時(shí)器捕捉中斷程序里捕捉到的數(shù)直接拿來用還是要拿PID運(yùn)算的數(shù)據(jù)來用？這由一個(gè)脈寬（決定此時(shí)飛機(jī)是否要豎直飛行的脈寬）決定，這里用到的是第7個(gè)脈沖的脈寬，也就是遙控器的第7通道，這個(gè)參數(shù)被命名為Helen，當(dāng)Helen > 1500（1.5ms）時(shí)就是操縱者要豎直飛行，要把PID運(yùn)算的數(shù)據(jù)輸出；當(dāng)Helen < 1500時(shí)就是正常飛行，直接把模定時(shí)器捕捉中斷程序里捕捉到的數(shù)輸出就可以了。

　　要得到各個(gè)脈沖寬度，只要把從低到高的每個(gè)脈沖發(fā)生的時(shí)間做減法就可以了，這個(gè)減法運(yùn)算也是在主程序里完成的。減法完成后還要對脈沖寬度進(jìn)行出錯(cuò)處理，要檢查一下，小于1ms的按1ms算，大于2ms的按2ms算，處理完了就可以調(diào)用發(fā)送中斷發(fā)送給輔助MCU了。調(diào)用方式是把數(shù)組排列好，把發(fā)送數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器清零，打開發(fā)送中斷允許位，這時(shí)發(fā)送緩沖區(qū)是空的，發(fā)送中斷一允許，它就立刻進(jìn)中斷開始發(fā)送。

　　串口發(fā)送中斷程序：程序進(jìn)入本中斷后首先把發(fā)送數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器指示的數(shù)送到發(fā)送緩沖區(qū)去發(fā)送，如發(fā)送完了就把發(fā)送中斷允許位清零，以防止正在發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送完后再次進(jìn)入中斷；如沒發(fā)送完就直接退出，等待下次中斷。

　　輔助MCU程序流程圖見圖6。

　　串口接收中斷：輔助MCU程序的關(guān)鍵在串口接收中斷，接收到的數(shù)要存入指定的數(shù)組，這個(gè)容易實(shí)現(xiàn)，而把引導(dǎo)頭找出來就不那么容易了，因?yàn)樽鳛橐龑?dǎo)頭的0xAA、0x55也有可能是數(shù)據(jù)，只有連起來的才是引導(dǎo)頭，判斷方法詳見圖6。

　　因?yàn)楸綧CU只有兩個(gè)定時(shí)器，但需要控制三路脈沖，所以有兩路脈沖用定時(shí)器的PWM功能實(shí)現(xiàn)，另外一路需要用軟件模擬，本文選用的方法是用一個(gè)20ms的中斷，進(jìn)入中斷后把I/O口置位，然后在主程序里循環(huán)判斷定時(shí)器的值，當(dāng)定時(shí)器的值大于要送的脈沖值時(shí)把I/O復(fù)位。