微小型無人機全姿態(tài)增穩(wěn)控制系統(tǒng)的設計與實現
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隨著國內外反恐形勢的日趨嚴峻和各類突發(fā)事件的頻繁發(fā)生，對武警部隊能否在各種復雜、危險的環(huán)境下，快速有效地完成任務，提出了更高的要求。傳統(tǒng)的偵察手段已經不能滿足形勢的需求，如重大自然災害，導致救援工作無法展開；反恐或協(xié)助抓捕時不能有效地跟蹤嫌疑人等。無人偵察機的出現給執(zhí)勤人員帶來了方便，但在偵察過程中無人機自身產生的振動會使圖像拍攝出現抖動，因此很大程度上影響到指揮員的正確決策。傳統(tǒng)的自駕儀采用慣性測量單元獲得飛機的姿態(tài)信息，包括角速度計(陀螺)和加速度計。陀螺用來測量飛機的姿態(tài)角和角速度；加速度計用來測一般重力加速度下兩個水平方向的投影，通過三角關系可以換算出飛行器當前的姿態(tài)，也就是俯仰角和滾轉角。但是，利用加速度計測量的姿態(tài)信息十分容易受到飛行器振動和機動飛行時自身加速度的干擾，測量精度誤差一般比較大，穩(wěn)定性差，使偵察效果受到影響。為解決無人機飛行平穩(wěn)性，研究了一款由三軸陀螺和傾角傳感器構成的全姿態(tài)增穩(wěn)控制系統(tǒng)，用以改進無人機在執(zhí)行任務時的穩(wěn)定性。
l 系統(tǒng)特點
由陀螺和傾角傳感器構成全姿態(tài)增穩(wěn)控制回路。陀螺測量得到的角速度信息用作增穩(wěn)反饋控制，使飛機操縱起來變的更“遲鈍”一些，從而利用傾角傳感器測得飛機橫滾角和俯仰角。然后將陀螺測得的角速率信息和傾角傳感器測得的姿態(tài)角進行捷聯運算，得到融合后的姿態(tài)信息。這種較為復雜的捷聯算法可使姿態(tài)精度得到很大提高。
2 姿態(tài)增穩(wěn)控制律硬件設計
無人機姿態(tài)增穩(wěn)控制屬于內回路控制，它包括姿態(tài)保持與控制、速度控制等模式。內回路控制是在以三軸陀螺和傾角傳感器獲取無人機飛行姿態(tài)的基礎上，通過對升降舵、方向舵的控制，完成飛行姿態(tài)的穩(wěn)定與控制。內回路控制作為飛行控制的核心回路，也是飛行高度、航跡等外回路控制的基礎。外回路控制是以GPS的位置、航向信號、高度傳感器的氣壓高度信號為基準的，它通過導航控制方法計算出飛行器的預定航線和實際航線。
無人機內回路控制作為外回路控制的基礎，對其能否穩(wěn)定飛行起著至關重要的作用。該系統(tǒng)中，內回路是由三軸陀螺和傾角傳感器構成的姿態(tài)增穩(wěn)控制回路。主要由主控制單片機、A／D采樣芯片、三軸陀螺儀和傾角傳感器組成。主控制單片機通過SPI串行總線與A／D采樣芯片相連，通過A／D采樣芯片獲得三軸陀螺儀的角速率與傾角傳感器的橫滾角和俯仰角，然后進行姿態(tài)信息融合，得到無人機俯仰和橫滾的姿態(tài)信息。主要接口連接情況如圖1所示。
圖l中，AD7888是一款高速率、低功耗的12位模擬數字轉換器，能達到125 KSPS的傳輸速率，擁有8路模擬輸入通道。
為片選引腳，該引腳有兩個作用，即啟動AD7888轉換器和制定串行數據的轉移，與單片機引腳PB0(
)相連。SCLK為串行時鐘輸入引腳，通過外接單片機ATmegal28引腳PBl(SCK)提供串行時鐘信號。DIN為邏輯數據輸入端，DOUT為邏輯數據輸出端，分別與ATmegal28的引腳PB2(MOSI)和PB3(MISO)相連。
外部基準電壓的范圍是Vref～VDD(Vref=1．2 V)。為了獲得穩(wěn)定的基準電壓，采用由TL431組成基準電壓電路。德州儀器公司(TI)生產的TL431是一個有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調分流基準源。它的輸出電壓用電阻R2和R3就可以設置到從Vref=2．5 V到Vref=36 V范圍內的任何值。
單片機ATmegal28與AD7888通過串行通信接口SPI相連，分別配置為主機和從機。SPI總線允許ATmegal28與外設之間進行高速的同步數據傳輸。
三軸陀螺主要用來測量無人機在飛行過程中俯仰角、橫滾角和偏航角的角速度，并根據角速度積分計算角度的改變。該系統(tǒng)中采用日本松下公司的EWTS82(以下簡稱S82)，其原理是將旋轉時音叉震蕩產生的地球偏轉力(克里奧利力)轉換為電信號。該三軸陀螺由傳感器件、音叉驅動電路和信號處理電路構成。此款陀螺為一模擬器件，具有+80～-80(°)／s的測量范圍，單電源(+5 V DC)供電，對零點漂移抑制較好等優(yōu)點。另外，其低廉的價格可大大降低開發(fā)成本。
傾角傳感器采用芬蘭VTI Technologies公司生產的高精度雙軸傾角傳感器SCAl00T，該傳感器的體積小，重量輕。其內部包含了一個硅敏感電容傳感器和一個ASIC專用集成電路，既具有內部溫度測量及補償功能，又具備自檢測功能，單軸最大輸出范圍約為-40～+40 ℃，有效輸出范圍為-30～+30 ℃。當采樣頻率為8 Hz及以下時，可獲得0．002°的輸出分辨率。串行外圍接口SPI的輸出頻率為500 kHz，通過傳感器元件控制頻率響應，能夠承受大于20 000g的機械振動。它具有的主要特點是：x，y雙軸高分辨率雙向測量，單電源(+5 V DC)供電，工作電流小(3 mA)，噪聲低，工作溫度范圍寬(-40～+125 ℃)等。
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