CN102631787A - 一种航模飞机双轴增稳控制器及控制方法 - Google Patents

一种航模飞机双轴增稳控制器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种航模飞机辅助飞行控制装置及该装置控制方法，具体涉及一种航模飞机双轴增稳控制器及控制方法。目前航模飞机多采用增稳陀螺仪以增加稳定性，但市场上现有的增稳陀螺仪稳定性差、质量重、计算误差大。本发明提供一种航模飞机双轴增稳控制器及控制方法，包括单片机、四路功能选择开关、两路感度调节电位器和双轴角速率传感器。单片机根据温度补偿规律对角速率信号做温漂补偿计算，将角速率的温度偏移量拟合成与时间有关的函数,通过改进的PID算法计算控制量，单片机PWM模块将控制量转化为PWM信号输出驱动舵机转动。本发明提高了航模飞机的稳定性。

Description

一种航模飞机双轴增稳控制器及控制方法
技术领域
本发明涉及一种航模飞机辅助飞行控制装置，尤其是涉及一种航模飞机双轴增稳控制器及控制方法。
背景技术
目前飞行类玩具和航空模型，因尺寸小、成本低、对飞行场地要求低、飞行风险小，目前在国内外日益流行。因航模飞机的尺寸变小，则出现气动阻尼减小小、雷诺数降低，非定常空气动力减弱 ，静稳定性能较低、操控性能较差，增大了入门飞行难度，严重影响了特技飞行的动作质量。
为了增加小型航模飞机的稳定性，目前技术上多采用增稳陀螺仪以增加航模的稳定性，在硬件上大多数都是采用压电晶体角速率传感器，压电晶体角速率传感器体积大且质量重，影响小型航模飞机的飞行高度。在控制算法上，现有技术使用PI控制算法，或者是单独的P控制算法均存在不足之处。使用ＰＩ控制算法的缺点是：随着控制器工作时间的增加，角速率传感器的输出误差被一直累积，从而影响操作者对模型飞机的实时控制，降低的飞行质量；使用P控制算法的缺点：由于没有精确的误差积分反馈，控制器对于航模飞机飞行时的小角速率误差无法及时识别，从而使航模飞机的稳定性受到影响，进而不能准确控制航模飞机。
发明内容
本发明针对压电晶体角速率传感器体积大和质量重，且软件的控制算法对航模飞机的控制不够准确的不足，为此提供了一种航模飞机双轴增稳控制器及控制方法，包括双轴角速率传感器4，用于输出X轴角速率信号、Y轴角速率信号和传感器温度信号，连接单片机1的第二I/O接口；输出开、关两档信号的四路功能选择开关2连接单片机1的第一I/O接口；两路感度调节电位器3连接单片机1的第三I/O接口；单片机1将接收到的模拟信号通过A/D转换器转换成数字信号，并在单片机1的处理器中按照程序进行运算，根据给定的温度补偿规律对角速率信号做温漂补偿计算，计算出温度偏离量，将角速率的温度偏移量拟合成与时间有关的函数,通过改进的PID算法计算出控制量，并将控制量输入单片机1的PWM模块，通过PWM（Pulse Width Modulation——脉冲宽度调制）模块转化为PWM信号输出，用于驱动航模飞机舵机的舵面偏转，以产生气动操纵力矩控制航模飞机。
本发明所述的航模飞机双轴增稳控制器及控制方法，所述四路功能选择开关2分别为：飞行模式选择 、飞机构型选择 、第一舵机方向选择、第二舵机方向选择；所述两路感度调节电位器3分别为：俯仰感度电位器和滚转感度电位器；所述双轴角速率传感器4为MEMS角速率传感器。
本发明的有益效果是：
本发明使用MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems——微机电系统）角速率传感器。单片机处理器根据给定的温度补偿规律对数字信号做角速率传感器的温漂补偿计算，计算出温度偏离量，将角速率的温度偏移量拟合成与时间有关的函数,通过改进的PID算法计算出控制量，并将控制量输入单片机1的PWM模块，通过PWM模块转化为PWM信号输出；将无副翼直升机的控制算法引入到固定翼航模飞机的控制中，使小型航模飞机完全按照操作者的操作命令稳定、流畅地飞行，提高飞机的操控性和稳定性。使小型航模飞机可以具有大型航模飞机一样的稳定性、精准性，降低初学者的入门难度，扩大航模飞机的市场。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明控制器的原理图；
图2是本发明中的单片机流程图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1所示的 SHAPE  \* MERGEFORMAT 控制器原理框图，双轴角速率传感器4输出三路模拟信号，分别是X轴角速率信号、Y轴角速率信号和传感器温度信号，其中X轴角速率信号、Y轴角速率信号的范围是440°/s，分辨率为 2.27mV/°/s，温度传感器信号范围是-20°C～+85°C，分辨率为4mV/°C，这三路信号输入到单片机的第二I/O接口，第二I/O接口连接单片机1的A/D转换器，通过A/D转换器将X轴角速率信号、Y轴角速率信号和温度传感器信号转换成数字信号；四路功能选择开关3的功能选择分别是：飞行模式选择（新手模式和特技模式）、飞机构型选择（混控模式和常规布局）、第一舵机方向选择、第二舵机方向选择，每一路给出开与关两档信号，由单片机1通过第一I/O口直接读取为1或0；两路感度调节电位器3分别是:俯仰感度电位器、滚转感度电位器，俯仰感度电位器、滚转感度电位器的变化范围是0～3.3V，其大小取决于旋钮位置，两路感度调节电位器3连接单片机1的第三I/O接口，第三I/O接口连接单片机1的A/D转换器，通过A/D转换器将感度调节电位器输出的模拟信号转换成数字信号；以上各部分的数字信号，在单片机1的处理器中按照程序进行运算，根据给定的温度补偿规律对数字信号做角速率传感器的温漂补偿计算，计算出温度偏离量，将角速率的温度偏移量拟合成与时间有关的函数,通过改进的PID算法计算出控制量，并将控制量输入单片机1的PWM模块，通过PWM模块将控制量转化为PWM信号输出，PWM信号周期为71HZ，正脉宽范围1100us~1920us，中立点为1520us。单片机1输出的PWM信号，驱动航模飞机的舵机转动并带动舵面偏转，以产生气动操纵力矩控制航模飞机。
如图2所示的单片机中的软件流程图，开机后，系统先做初始化，包括定时器、模数转换器、外部中断等外设的初始化；通过外部中断读入接收机信号；通过第二I/O接口读入两轴角速率传感器4信号，第二I/O接口连接单片机1的A/D转换器，通过A/D转换器将X轴角速率信号、Y轴角速率信号和温度传感器信号转换成数字信号；根据给定的温度补偿规律对数字信号做角速率传感器的温漂补偿计算，计算出温度偏离量，将角速率的温度偏移量拟合成与时间有关的函数,；查询定时器，如果定时器时间超过1S，检测功能选择开关和感度电位器的值，并把定时器归零，否则直接进入下一步；通过改进的PID算法计算控制量；并将控制量输入单片机1的PWM模块，通过PWM模块转化为PWM信号输出，驱动舵机转动；再次循环到接收机信号的读入，重新开始一个循环。
软件把无副翼直升机的控制算法引入到固定翼航模飞机的控制中，模拟航模直升机伺服小翼的作用，增大了滚转和俯仰通道的阻尼。改进的PID算法，对传统PID算法中的目标值和测量值做分别处理，目标值增加了衰减。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种航模飞机双轴增稳控制器，其特征在于：包括单片机（1）、四路功能选择开关（2）、两路感度调节电位器（3）和双轴角速率传感器（4）：所述单片机（1），读入四路功能选择开关（2）、两路感度调节电位器（3）、双轴角速率传感器（4）的模拟控制信号，通过单片机（1）的A/D转换器转化为数字信号；单片机（1）根据给定的温度补偿规律对角速率信号做温漂补偿计算，将角速率的温度偏移量拟合成与时间有关的函数,通过改进的PID算法计算出控制量，并将控制量输入单片机（1）的PWM模块，通过PWM模块转化为PWM信号输出；
所述四路功能选择开关（2）的信号输出端连接单片机（1）的第一I/O接口，用于选择航模飞机的飞行模式；
所述两路感度调节电位器（3）的信号输出端连接单片机（1）的第三I/O接口，用于控制航模飞机飞行的俯仰反馈系数和滚转反馈系数；
所述双轴角速率传感器（4）的信号输出端连接单片机（1）的第二I/O接口，在单片机（1）的A/D转换器中转换成数字信号。
2.按照权利要求1所述的航模飞机双轴增稳控制器，其特征在于：所述的双轴角速率传感器（4）输出三路模拟信号 ，分别是X轴角速率信号、Y轴角速率信号和传感器的温度信号。
3.按照权利要求1或2所述的航模飞机双轴增稳控制器，其特征在于：所述的双轴角速率传感器（4）输出三路模拟信号：X轴角速率信号、Y轴角速率信号的范围均为440°/s，分辨率为 2.27mV/°/s，传感器的温度信号范围是-20°C～ +85°C，分辨率为4mV/°C。
4.按照权利要求1所述的航模飞机双轴增稳控制器，其特征在于：所述的双轴角速率传感器（4）为MEMS双轴角速率传感器。
5.按照权利要求1所述的航模飞机双轴增稳控制器，其特征在于：所述的四路功能选择器（2）的选择模式分别为：飞行模式选择 、飞机构型选择 、第一舵机方向选择、第二舵机方向选择；四路功能选择器（2）的飞行模式分别为：新手模式和特技模式；四路功能选择器（2）的飞机构型选择分别为：混控模式和常规布局。
6.按照权利要求1所述的航模飞机双轴增稳控制器，其特征在于：所述的两路感度调节电位器（3）分别是:俯仰感度电位器、滚转感度电位器；俯仰感度电位器、滚转感度电位器的变化范围是0～3.3V，其大小取决于旋钮位置。
7.一种实现权利要求1所述的航模飞机双轴增稳控制器及控制方法，其特征在于：包括如下步骤： 
S1、开机后，系统先做初始化，包括定时器、模数转换器、外部中断等外设的初始化；
S2、通过外部中断读入接收机信号；
S3、通过第二I/O接口读入双轴角速率传感器（4）信号，并连接单片机（1）的A/D转换器转化为数字信号；
S4、在单片机（1）的处理器中对双轴角速率传感器（4）的角速率信号做温漂补偿计算,将温度偏移量拟合成与时间有关的函数；
S5、查询定时器，如果定时器时间超过1S，检测功能选择开关和感度电位器的值，并把定时器归零，否则直接进入下一步；
S6、按照改进的 PID算法计算控制量；
S7、通过单片机（1）PWM模块将控制量转化PWM信号输出，驱动舵机转动；
S8、再次循环到接收机信号的读入，重新开始一个循环。
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