C8051F020的微型旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺的控制系統(tǒng)

1、第卷第期年月光學(xué)精密工程“文章編號（）一一珊的微型旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺的控制系統(tǒng)羅均，邢蘭興，周焱，謝少榮（上海大學(xué)精密機(jī)械工程系，上海）摘要：提出了一種與傳統(tǒng)槳距角遞推算法不同的基于高速攝影和圖像處理的槳距角測定方法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，開發(fā)了一個(gè)以微型旋翼飛行器的非對稱變距裝置為測試主體的實(shí)驗(yàn)平臺，并設(shè)計(jì)了一套基于的微型旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)以單片機(jī)為微控制器，用微型位置傳感器來檢測螺旋槳主軸的相位信息，并利用單片機(jī)內(nèi)部的捕捉功能采集位置傳感器的輸出信號，得到螺旋槳主軸的四個(gè)相位；利用單片機(jī)輸出的方波信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到對螺旋槳電機(jī)進(jìn)行加速的目的；利用單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的捕捉中

2、斷來觸發(fā)高速攝像機(jī)的拍攝，以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)加速與拍攝的同步。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)可靠性高。最后通過該控制系統(tǒng)來控制微型飛行器仿真飛機(jī)前飛的狀態(tài)，得到該狀態(tài)下槳葉的變距曲線，證明所提出的槳距角測定方法和由此開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺在測量槳距角中是有效的，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。關(guān)鍵詞：微型旋翼飛行器；實(shí)驗(yàn)平臺；高速攝影中圖分類號：；文獻(xiàn)標(biāo)識碼：，（芒矩咒廠，咒缸口咒以咒，口咒己脅，口行矗，冼咒口）：，“（），；，；?！坝?，一收稿日期：一：修訂日期：一基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（）；上海市優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（）萬方數(shù)據(jù)光學(xué)精密工程第卷：；引言近些年來隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（）的蓬勃興起，人們越來越關(guān)心微

3、型飛行器（）的發(fā)展。微型飛行器是指飛行器整體尺寸在以內(nèi)，重量在幾十到上百克，有效載荷左右，航程左右的微型飛行器。它具有體積小、重量輕、攜帶方便、操作簡單、隱蔽性好、機(jī)動靈活等特點(diǎn)，在現(xiàn)代軍事和民用方面具有十分廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)微型飛行器的性能要求，設(shè)計(jì)了一種面向微型旋翼飛行器的非對稱變距裝置。該非對稱性變距裝置的變距原理與傳統(tǒng)的機(jī)械變距原理完全不同，它通過突然改變主槳電機(jī)的轉(zhuǎn)速使與螺旋槳相連接的彈性連桿發(fā)生變形，從而帶動螺旋槳繞漿葉軸線方向轉(zhuǎn)動而改變安裝角，達(dá)到變距的目的。為了能夠更好的操控該微型飛行器，需要找出主槳電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變量與螺旋槳距角的變化量之問的對應(yīng)關(guān)系即新型非對稱變距機(jī)理。則要

4、求在地面上能夠模擬飛機(jī)真實(shí)飛行時(shí)的各種飛行模態(tài)，比如飛行時(shí)機(jī)身的前后傾斜，左右傾斜等等，并能同時(shí)記錄下槳葉的變距過程?；谝陨弦?，開發(fā)了一個(gè)以微型旋翼飛行器非對稱變距裝置為測試主體的實(shí)驗(yàn)平臺。該實(shí)驗(yàn)平臺的控制系統(tǒng)以單片機(jī)為主控微處理器，通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，得到所需要的控制信息，利用的捕捉功能采集飛機(jī)主槳的相位信息，用輸出的方波信號控制主槳電機(jī)轉(zhuǎn)速，在中斷中觸發(fā)高速攝像機(jī)，使電機(jī)的加速與高速攝像機(jī)的拍攝保持同步。處理測量出槳距角，最終通過對應(yīng)主槳電機(jī)的改變量與槳距角的變化量，找出飛機(jī)飛行時(shí)的變距機(jī)理。小型力向球軸平臺底序上位算機(jī)圖微型飛行器實(shí)驗(yàn)平臺示意圖，實(shí)驗(yàn)用微型飛行器的主槳電機(jī)轉(zhuǎn)速在

5、以上，通過減速系統(tǒng)傳到螺旋槳的轉(zhuǎn)速在左右，速度非?？臁１疚牟捎昧藥母咚贁z像機(jī)拍攝螺旋槳在每周四個(gè)相位的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)圖像（這四個(gè)相位分別對應(yīng)飛行器前后左右飛行）。對四個(gè)相位中的某個(gè)相位拍攝時(shí)，要求控制飛機(jī)的主槳電機(jī)在這個(gè)相位突然加速，使螺旋槳的槳距角發(fā)生改變，同時(shí)使控制系統(tǒng)啟動高速攝相機(jī)進(jìn)行拍攝，以保證加速與拍攝的同步性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，開發(fā)了如圖所示的實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)飛機(jī)通過控制系統(tǒng)的控制可以繞小型萬向球軸向先后左右傾斜，模擬飛機(jī)真實(shí)飛行時(shí)的各種飛行模態(tài)；高速攝像機(jī)用來拍攝槳葉旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的圖像；上位計(jì)算機(jī)用來給下位控制系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的控制信息，同時(shí)存儲高速攝像機(jī)拍攝下的圖像。微型飛行器實(shí)驗(yàn)平臺介紹控制系

6、統(tǒng)設(shè)計(jì)為了尋找微型旋翼飛行器中的新型非對稱變距機(jī)理，提出了一種與傳統(tǒng)槳距角遞推算法不同的基于高速攝影和圖像處理的槳距角測定方法。這是一種非接觸式測量，即利用高速攝像機(jī)拍攝飛機(jī)槳葉變距的全過程，然后對得到的圖像進(jìn)行系統(tǒng)功能該系統(tǒng)首先需要采集到螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)的位置信號（即對應(yīng)著飛機(jī)前后，左右飛行時(shí)的四個(gè)相位信息）；然后根據(jù)不同的相位信息由微處理器輸出不同占空比的方波信號，控制飛機(jī)主槳電萬方數(shù)據(jù)第期羅均，等：微型旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺的控制系統(tǒng)機(jī)的加速，同時(shí)觸發(fā)高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，把螺旋槳槳葉變距的過程記錄下來，使主槳電機(jī)加速的過程與拍攝槳葉變距的過程保持同步。系統(tǒng)并能通過上位機(jī)來控制螺旋槳旋轉(zhuǎn)的快慢和對

7、四個(gè)相位中的哪個(gè)相位進(jìn)行加速。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)以為主控微處理器的控制系統(tǒng)，其中系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖所示：圖系統(tǒng)硬件構(gòu)成微處理器的選擇為了使整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件電路盡可能簡潔，減少芯片數(shù)量和占用空間，節(jié)省功耗，提高系統(tǒng)的可靠性，微控制器選用美國公司的。該芯片體積只有，內(nèi)部集成了多種功能部件，包括模塊、電壓比較器、轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、看門狗定時(shí)器和的存儲器等，可以很好地滿足該控制系統(tǒng)的需要；同時(shí)因?yàn)樗闪烁鱾€(gè)模塊，減少了外圍電路，使硬件系統(tǒng)變的非常緊湊，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。由于微控制器使用片內(nèi)調(diào)試方式，使本系統(tǒng)能夠方便地在線調(diào)試和更新，大大減少了開發(fā)周期。電機(jī)控

8、制模塊單片機(jī)發(fā)出四路控制信號：其中兩路為方波信號；兩路為電機(jī)方向控制信號。四路信號先通過高速光電耦合器隔離后再傳遞到電機(jī)驅(qū)動芯片上，分別控制主槳和尾槳電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。因?yàn)殡姍C(jī)的工作額定電流為，該系統(tǒng)選用的是大功率驅(qū)動芯片來驅(qū)動電機(jī)。高速光電耦合器用來隔離單片機(jī)信號和電機(jī)的驅(qū)動信號，以防止單片機(jī)受到大電流信號的沖擊而遭到損壞。高速攝影模塊選用美國生產(chǎn)的孓型號的高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝。該型號攝像機(jī)在分辨率為時(shí)，最大幀比率為幀；最大內(nèi)存為，具有很強(qiáng)的存儲能力；快門為的最小曝光時(shí)間，可以捕捉和分析高速運(yùn)動物體；觸發(fā)方式可由軟件或由接頭傳輸高電平觸發(fā)；同步性：通過接頭傳輸高電平保持同步。本系統(tǒng)是在的捕捉中

9、斷中，發(fā)送觸發(fā)信號，通過接頭與高速攝像機(jī)相連，把信號傳給攝像機(jī)。這樣就保證了電機(jī)加速的同時(shí)，啟動高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝。傳感器模塊為了得到螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，對應(yīng)飛機(jī)前后，左右飛行的四個(gè)相位，同時(shí)又要考慮到傳感器盡量的小巧，輕便。本系統(tǒng)選用由位置控制碼盤和光電傳感器組成的位置傳感器，結(jié)構(gòu)如圖所示。位置控制碼盤有內(nèi)外兩圈，內(nèi)圈用作標(biāo)定相位的起始位置即相位，外圈用作確定螺旋槳的四個(gè)相位；它通過中心的軸孔安裝在螺旋槳主軸上。光電傳感器通過外面的兩個(gè)螺栓安裝在機(jī)架上，通過內(nèi)置的感光元件檢測到內(nèi)外圈孔的通與不通，從而得到螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)的位置信號。圖位置傳感器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、模塊、模

10、塊等組成。程序流程圖如圖所示。萬方數(shù)據(jù)光學(xué)精密工程第卷圖系統(tǒng)程序流程圖系統(tǒng)初始化選擇系統(tǒng)時(shí)鐘：有一個(gè)內(nèi)部振蕩器和一個(gè)外部振蕩器驅(qū)動電路，每個(gè)驅(qū)動電路都能產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘，當(dāng)單片機(jī)復(fù)位后從內(nèi)部振蕩器啟動，且瞬間完成。但內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的時(shí)，基信號存在的誤差，為了給系統(tǒng)提供精確的時(shí)基信號，本系統(tǒng)選用外部晶體振蕩器來產(chǎn)生時(shí)基信號。端口初始化：首先初始化交叉開關(guān)，交叉開關(guān)根據(jù)優(yōu)先權(quán)順序?qū)⒍丝诘囊_分配給器件上的數(shù)字外設(shè)（如、定時(shí)器等）；然后配置端口引腳的輸出方式每個(gè)端口引腳都可以被配置為漏極開路和推挽方式。本系統(tǒng)根據(jù)要求引腳分配為、，且把和設(shè)為推挽輸出。定時(shí)器初始化：為了從外部得知系統(tǒng)在運(yùn)行，本系統(tǒng)添加了一

11、個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行指示燈，即每隔一秒鐘讓指示燈點(diǎn)亮一次。選用定時(shí)器的輸出信號作為指示燈的時(shí)基信號，定時(shí)器設(shè)置如下：時(shí)鐘采用系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻，每隔產(chǎn)生一次中斷，計(jì)時(shí)器初值設(shè)定為。同時(shí)定時(shí)器產(chǎn)生的時(shí)基信號還可以用作以后的系統(tǒng)擴(kuò)展，如用作采集陀螺儀或水平儀輸出時(shí)的時(shí)基信號。模塊模塊用來接收上位機(jī)的控制信息，然后對信息進(jìn)行處理，解析出各個(gè)相位對應(yīng)的控制值。的工作方式選為方式：異步、全雙工通信。每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)共使用位：一個(gè)起始位、個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位。使用定時(shí)器工作在模式，位自動重裝方式產(chǎn)生波特率；定時(shí)器的時(shí)基選用系統(tǒng)時(shí)鐘。根據(jù)實(shí)際情況，選擇的波特率為。模塊采用中斷接收方式，其流程圖如圖所示。接收數(shù)據(jù)格式為：￥相位

12、值控制值，如在相位時(shí)，令所對應(yīng)的所對應(yīng)的高電平計(jì)數(shù)值為，則數(shù)據(jù)格式為￥。串口中斷接收準(zhǔn)備二等待中斷斷接收接收控￥拌解算出占空發(fā)送相應(yīng)擰制主槳轉(zhuǎn)速圖串口中斷接收流程圖模塊系統(tǒng)要求采集位置傳感器內(nèi)外兩圈的輸出信號和產(chǎn)生兩路方波信號，選用模塊中的四個(gè)位捕捉比較模塊來完成上述任務(wù)。的時(shí)基選用系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻；模塊。和的工作方式為位脈寬調(diào)制器方式，用來產(chǎn)生兩路位的；模塊和的工作方式為邊沿觸發(fā)的捕捉方式。其中模塊為負(fù)沿（即下降沿）捕捉方式，采集位置傳感器內(nèi)圈輸出信號，標(biāo)定為相位；模塊為負(fù)沿（即下降沿）捕捉方式，采集位置傳感器外圈輸出信號，標(biāo)定為相位。位置傳感器的輸出信號經(jīng)過外圍電路的比較和放大后，如圖所示：

13、高電平為所能接受的，低電平為；內(nèi)圈信號對應(yīng)著相位，外圈信號對應(yīng)著相位。內(nèi)嘲鼢吾當(dāng)廠廠相位外豳信號：吾蚩廣廠廠廠廠廠相位相位相相圖光電傳感器輸出信號萬方數(shù)據(jù)第期羅均，等：微型旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺的控制系統(tǒng)根據(jù)得到的螺旋槳相位信息和模塊傳來的控制信息，在中斷中，把各相位對應(yīng)的控制值配置給位脈寬調(diào)制器，產(chǎn)生相應(yīng)占空比的方波信號使電機(jī)進(jìn)行加速，同時(shí)在加速的相位令單片機(jī)的口發(fā)出一個(gè)高電平信號，觸發(fā)高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，使得電機(jī)加速的同時(shí)進(jìn)行拍攝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖為高速攝像機(jī)拍攝到的槳葉圖片，根據(jù)槳距角的定義：在槳葉長度倍處的槳葉安裝角即為槳距角，為了便于后面的圖像處理，特別把槳葉長度倍處涂成黑色。經(jīng)過圖像處理得到

14、如圖所示的特征曲線，則提取出的特征曲線與水平方向的夾角即為所要測量的槳距角。 圖拍攝的槳葉圖片圖特征提取后的圖片圖微型飛行器槳葉的變距曲線變距曲線在電機(jī)電壓為時(shí)，槳距角的增加基本為線性的，說明在這一電壓段飛機(jī)有很好的控制品質(zhì)，電壓增大到后，槳距角出現(xiàn)波動，可能是由于電壓增加，槳葉轉(zhuǎn)速增大，飛機(jī)機(jī)身抖動嚴(yán)重，影響到槳葉拍攝的原故，這有待于以后完善。表電機(jī)電壓與測量的槳距角之問的對應(yīng)關(guān)系結(jié)論文選取利用實(shí)驗(yàn)平臺模擬飛機(jī)前飛的一組實(shí)驗(yàn)來為了尋找微型旋翼飛行器中的新型非對稱變驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過改變發(fā)送給微。距機(jī)理，提出了一種與傳統(tǒng)槳距角遞推算法不同處理器的值來改變主槳電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)”的基于

15、高速攝影和圖像處理的槳距角測定方法。用高速攝像機(jī)拍攝下槳距角的變化過程，然后經(jīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，開發(fā)了一個(gè)以非對稱變距裝置為過圖像處理得到槳距角的變化值；而電機(jī)兩端的測試主體的實(shí)驗(yàn)平臺，通過試驗(yàn)證明，此方法和由電壓值可以根據(jù)的值計(jì)算出來，最后數(shù)據(jù)此開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺在測量槳距角中是有效的，達(dá)整理如表所示：根據(jù)表的數(shù)據(jù)繪制出微型飛到了預(yù)期目標(biāo)。機(jī)器槳葉的變距曲線如圖所示。參考文獻(xiàn)：羅均，蔣蓁，程維明，等國際上微型飛行器研究的進(jìn)展及其關(guān)鍵技術(shù)上海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），（）：，以口（）”口砬副（甩咒丁，咒），（）：（）萬方數(shù)據(jù) 光學(xué)精密工程 第卷 呂俊剛，汪家道，陳大融微型無人直升機(jī)旋翼操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， （）： ， ， ， ， 了一九，?？诳桑ㄒ宴婢牛呼尥诹耍ǎ海?） 萬峰，范世福以為核心的驅(qū)動與采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)光學(xué)精密工程，（增）： ， （ ） 口戶已 挖翰。，（）： 蔣明，揚(yáng)?？。嗔?，等基于高速攝像的雙線性震動陀螺力學(xué)特性分析口光學(xué)精密工程，（）： ， ， ，甜 “ ，珂珂，（）：一（ ） 潘琢金，施國君高速單片機(jī)原理及應(yīng)用北京：北京航空航天大學(xué)出版社， ， 矗穢口托矗多多薦口，磊磊多以（垅加多拋 工： ， （ ） 張慶，程維明，蔣蓁，等微型旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)光學(xué)精密工程，（