CN201166793Y

CN201166793Y - 基于单片机的无人机地面仿真系统控制器

Info

Publication number: CN201166793Y
Application number: CNU2007201731194U
Authority: CN
Inventors: 段海滨; 王道波; 陈宗基
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2017-09-13

Abstract

本实用新型提供了一种基于单片机的无人机地面仿真系统控制器。该控制器核心硬件采用AT89C52作为控制芯片，单片机控制器负责编码器计数读入、按键信号读入判别、限位信号选择读入、数据处理以及位置速度信号显示并送工控机工作；单片机监控器负责完成模拟器故障保护信号的监测判别、报警并将相应故障信号上报工控机；工控机主要负责无人机地面仿真系统控制器的控制律解算和各种状态信号的综合处理。该控制器软件采用了模块化设计思想，主要由主程序、中断处理、控制运算、故障监控保护、按键处理及显示等模块组成，可实时采集其无人机地面仿真系统的位置、速度、按键、越位、故障保护等信号，并联合工控机对无人机地面仿真系统进行综合控制。

Description

基于单片机的无人机地面仿真系统控制器

(一)技术领域

本发明涉及一种基于单片机(Single Chip Microcomputer)的无人机(Unmanned Aerial Vehicle)地面仿真系统控制器，属于计算机控制技术领域。

(二)背景技术

无人机是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种作战任务并能重复使用的无人战术飞行器。由于其零伤亡风险和高机动性等优势引起了各国军方的高度重视。无人机地面仿真系统是一种可在地面进行半实物仿真和测试的硬件设备。该系统可在实验室环境内实时地复现无人机在空中飞行时的动力学特性和各种飞行姿态，从而大大的节约无人机开发、研制的成本，缩短研制周期，其性能的优劣直接关系到仿真实验的逼真性和置信度。但目前现有的无人机地面仿真系统基本上都是基于工控机控制的，其成本高、使用繁琐。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种用于无人机做地面仿真实验的基于单片机的无人机地面仿真系统控制器。该无人机地面仿真系统的内框、中框和外框分别模拟无人机的滚转、俯仰及方位三个自由度的运动姿态，可为无人机的研制和改进提供重要技术参数。本发明所开发研究的基于单片机的无人机地面仿真系统控制器具有操纵简单、使用方便、价格低廉等特点，并可增强无人机做地面仿真系统的鲁棒性，并具有很高的控制品质。

该发明可用作无人机的地面仿真试验平台，也可用作导弹、鱼雷、火箭等运动体的地面姿态模拟。

(1)无人机地面仿真系统数学模型

建立无人机地面仿真系统的数学模型是对其控制器进行设计的必要前提。在对被控对象理论分析的基础上，可建立其数学模型]。公式(1)～(3)给出了无人机地面仿真系统的数学模型，基于单片机的无人机地面仿真系统控制器的设计是以此模型作为被控对象。

G_{1} (s) = \frac{K_{m}}{L_{a} s + R_{a}} - - - (1)

G_{2} (s) = \frac{\frac{1}{J_{m}} (s^{2} + \frac{D_{L}}{J_{L}} s + \frac{K_{12}}{J_{L}})}{(\frac{D_{m}}{J_{m}} + \frac{D_{L}}{J_{L}} + 1) s^{2} + (\frac{K_{12}}{J_{m}} + \frac{K_{12}}{J_{L}} + \frac{D_{m}}{J_{m}} \frac{D_{L}}{J_{L}}) s + \frac{(D_{m} + D_{L}) K_{12}}{J_{m} J_{L}}} - - - (2)

G_{3} (s) = \frac{K_{12}}{J_{L} s^{2} + D_{L} s + K_{12}} - - - (3)

(1)～(3)式中，J_m为力矩电机的转动惯量；J_L为负载的转动惯量；U_a为力矩电机的电枢电压；L_a为力矩电机的电枢电感；R_a为力矩电机的电枢电阻；K_m为电磁力矩系数；D_m为粘性阻尼系数；D_L为框架的粘性阻尼系数；K₁₂为力矩电机和框架的耦合刚度。由此，无人机地面仿真系统的数学模型结构可用图1表示。

(2)无人机地面仿真系统原理结构

无人机地面仿真系统的总体结构如图2所示。由图2可见，该无人机地面仿真系统由三个控制回路组成，即电流环回路、速度环回路和位置环回路，稀土永磁直流力矩电机的PWM功率放大器采用了电流环校正控制，由于在电流环回路中采用了无净差闭环调节并利用了电子最佳调节原理进行动态校正，以提高直流力矩电机的响应速度及频响范围，并有效地保证直流力矩电机工作安全可靠。

无人机地面仿真系统控制器滚转框、俯仰框和偏航框的模拟速度控制回路均采用了直流测速机作为速度反馈元件，其中滚转框、俯仰框采用225CYDN03T2型，而偏航框采用320CYDN01B1型，它们的线性误差、输出不对称度和纹波系数均小于1％。通过速率模拟控制电路完成电机速度的闭环控制。在模拟速度环回路中控制规律采用了线性补偿控制，这样可保证无人机地面仿真系统控制器的速度回路不仅具有很高的静态精度，而且在动态响应方面也具有足够宽的频带范围。

该无人机地面仿真系统的位置环回路将由数字控制回路(24位带锁存的并行口)和模拟控制回路(±10V控制电压)两部分组成。实时控制系统既可以接受数字给定信号，也可以接受模拟给定信号。在模拟位置环回路中，采用了电位计反馈，这样可保证在伺服接通后，无人机地面仿真系统各框架处于近似零位；在数字位置环回路中，位置反馈元件采用了18000线/转的RON705增量式光电轴角编码器，经EXE650B五十细分器和四倍频调理电路后，可获得0.0001°的转角分辨率。单片机控制器用于控制无人机地面仿真系统的运行姿态，而单片机监控器用于监控无人机地面仿真系统的实际运行状态，并将无人机的滚转、俯仰及方位三个自由度的运动姿态实时上报至控制机。在位置环校正环节的设计中充分利用高性能控制机的控制律解算能力，采用了NLPID、全频段变频前馈补偿等控制策略，有效地提高了无人机地面仿真系统控制器的伺服精度，增强了实时控制的鲁棒性能，以满足该无人机地面仿真系统实际运行时各种工作状态的要求。

在无人机地面仿真系统滚转框、俯仰框和偏航框的控制回路中，各增设一套自动寻零控制回路，可使串行工作的光电轴角编码器能获得零位信号，即在高性能控制机的三角波激励下，使无人机地面仿真系统相应框架能在一定范围内摆动，同时打开光电轴角编码器的清零电路，使光电轴角编码器能获得绝对零位信号。在寻零过程完成后，无人机地面仿真系统的控制器可自动进入由光电轴角编码器作为角度反馈元件的数字位置闭环控制回路。

本发明一种基于单片机的无人机地面仿真系统控制器，其技术方案如下：

该基于单片机的无人机地面仿真系统控制器主要由硬件系统和软件系统两大部分组成。其中，硬件部分由单片机监控器、单片机控制器和工控机组成；软件部分则由主程序模块、中断处理模块、控制运算模块、故障监控保护模块、按键处理模块及显示模块组成。

(1)无人机地面仿真系统控制器单片机硬件配置

无人机地面仿真系统单片机控制器采用AT89C52作为控制芯片，AT89C52含有8KB闪速可编程/擦除只读存储器的8位CMOS，是一种低功耗、高性能的微控制器。模拟器的单片机控制系统配置框图如图3所示，其中单片机控制器负责码盘计数读入、按键信号读入判别、限位信号选择读入、数据处理以及位置速度信号显示并送工控机工作；单片机监控器负责完成模拟器故障保护信号的监测判别、点亮故障保护灯报警并将相应故障信号上报工控机。工控机主要负责无人机地面仿真系统控制器的控制律解算和各种状态信号的综合处理。

这三个核心控制模块可实现将无人机导引头载体的方位、俯仰和滚转的指令转换成无人机地面仿真系统三个框架的机械转角指令，控制模拟器跟踪指令，并对各种故障保护信号做出及时有效的处理，从而构成一个可靠的半实物仿真环境。

(2)无人机地面仿真系统单片机控制器软件设计

无人机地面仿真系统单片机控制器的软件采用了模块化设计(Modularization Design)思想，其优点是思路清晰、通用性强、便于调试。软件模块由主程序、中断处理模块、控制运算模块、故障监控保护模块、按键处理模块、显示模块等组成。它们可采集其无人机地面仿真系统三个框架的位置、速度、按键、越位、故障保护等信号，并联合工控机对无人机地面仿真系统进行综合控制。

<1>主程序

主程序主要负责AT89C52内部RAM、I/O口、8255、堆栈指针、内部定时器等处理单元的初始化。

<2>中断处理模块

中断处理模块主要负责无人机地面仿真系统控制器的中断处理，每1ms采样一次。

<3>控制运算模块

控制运算模块主要负责角位置和速度的解算，软件中采用了数字增量式PID算法和前馈变参数补偿技术，从而保证无人机地面仿真系统控制器的动态性能及静态指标要求。

<4>故障监控保护模块

故障监控保护模块主要负责无人机地面仿真系统控制器运行过程中过压、欠压、过流、功放故障等非正常状态的检测，并上报工控机以做出相应保护处理。

<5>按键处理模块

按键处理模块主要负责无人机地面仿真系统控制器的启动、停止、复位、限位拨码等按键信号的采集，并根据相应按键状态转至相应子程序处理。

<6>显示模块

显示模块主要负责无人机地面仿真系统控制器实际运行位置、速度、按键状态的显示。该模块以中断方式工作，累计中断计数10ms则更新一次显示的数据，从而保证显示清晰、稳定。

本发明一种基于单片机的无人机地面仿真系统控制器，其优点及所达成的功效是：该基于单片机控制的无人机地面仿真系统的幅值跟踪误差和相位跟踪误差均很小，对输入信号的动态响应很快，系统的鲁棒性很强，具有很高的控制品质。

(四)附图说明

图1无人机地面仿真系统控制器的数学模型方框图

图2无人机地面仿真系统控制器总体结构

图3无人机地面仿真系统单片机硬件配置

图4无人机地面仿真系统控制器单片机程序流程

图5无人机地面仿真系统的含实物半物理仿真试验结果

图中标号及符号说明如下：

U_r——参考指令电压

θ_m——力矩电机的转角

θ_L——负载的转角

K_e——力矩电机的反电势系数

K_p——功率放大器的放大倍数

(五)具体实施方式

本发明一种基于单片机的无人机地面仿真系统控制器，其结构和实物照片分别如图3所示。该控制器由硬件系统和软件系统两大部分组成。其中，硬件部分由单片机监控器、单片机控制器和工控机组成；软件部分则由主程序模块、中断处理模块、控制运算模块、故障监控保护模块、按键处理模块及显示模块组成。

(1)无人机地面仿真系统控制器单片机硬件配置

该单片机控制器负责码盘计数读入、按键信号读入判别、限位信号选择读入、数据处理以及位置速度信号显示并送工控机工作；单片机监控器负责完成模拟器故障保护信号的监测判别、点亮故障保护灯报警并将相应故障信号上报工控机。工控机主要负责无人机地面仿真系统控制器的控制律解算和各种状态信号的综合处理。

(2)无人机地面仿真系统单片机控制器软件设计

无人机地面仿真系统单片机控制器的软件采用了模块化设计(Modularization Design)思想，其软件模块由主程序模块、中断处理模块、控制运算模块、故障监控保护模块、按键处理模块、显示模块等组成。它们可采集其无人机地面仿真系统三个框架的位置、速度、按键、越位、故障保护等信号，并联合工控机对无人机地面仿真系统进行综合控制。其流程框图如图4所示。

<1>主程序模块：主要负责AT89C52内部RAM、I/O口、8255、堆栈指针、内部定时器等处理单元的初始化；

<2>中断处理模块：主要负责无人机地面仿真系统控制器的中断处理，每1ms采样一次；

<3>控制运算模块：控制运算模块主要负责角位置和速度的解算，软件中采用了数字增量式PID算法和前馈变参数补偿技术；

<4>故障监控保护模块：主要负责无人机地面仿真系统控制器运行过程中过压、欠压、过流、功放故障等非正常状态的检测，并上报工控机以做出相应保护处理；

<5>按键处理模块：主要负责无人机地面仿真系统控制器的启动、停止、复位、限位拨码等按键信号的采集，并根据相应按键状态转至相应子程序处理；

<6>显示模块：主要负责无人机地面仿真系统控制器实际运行位置、速度、按键状态的显示；该模块以中断方式工作，累计中断计数10ms则更新一次显示的数据。

在所开发的无人机地面仿真系统上，对某无人机系统进行了系列含实物半物理仿真试验。图5(a)是正弦波标准信号给定时的模拟器的实时运行曲线；图5(b)是三角波给定时的模拟器的实时运行曲线。

Claims

1、一种基于单片机的无人机地面仿真系统控制器，它主要由硬件系统和软件系统两大部分组成；其特征在于：其硬件部分由单片机监控器、单片机控制器和工控机组成；其无人机地面仿真系统控制器单片机硬件配置的情况是：无人机地面仿真系统单片机控制器采用AT89C52作为控制芯片，AT89C52含有8KB闪速可编程/擦除只读存储器的8位CMOS；其中，负责码盘计数读入、按键信号读入判别、限位信号选择读入、数据处理以及位置速度信号显示并送工控机工作之单片机控制器、负责完成模拟器故障保护信号的监测判别、点亮故障保护灯报警并将相应故障信号上报工控机之单片机监控器以及负责无人机地面仿真系统控制器的控制律解算和各种状态信号的综合处理之工控机，这三个核心控制模块构成一个可靠的半实物仿真环境。