基于MSP430的舵機控制系統設計
張建鵬，劉世前，敬忠良
（上海交通大學航空航天學院，上海200240）
摘要：提出并實現了一種以MSP430F149單片機為硬件核心的某小型無人機舵機控制系統描述了系統的功能及硬件結構配置，給出了實時控制軟件的功能模塊及算法和流程圖，并著重指出在軟件實現過程中應注意的關鍵問題。實驗結果表明此設計符合飛行控制器的實時性控制要求，可靠性高，具有廣泛的應用價值。
關鍵詞：無人機；舵機；MSP430F149,飛行控制
中圖分類號：TM275；TM381 文獻標志碼：A 文章編號：1001-6848( 2010) 01-0046-04
0引 言
無人機是一種由動力驅動、機上無人駕駛、可重復使用的航空器的簡稱。在無人機系統中，采用PWM波信號控制的舵機是重要的執行機構，它是無人機控制動作的動力來源。為便于系統擴展和升級[1.2]，在飛控系統中往往采用分布式策略，將舵機的控制部分作為一個獨立單元進行設計，稱為舵機控制系統。
傳統產生PWM波的方法是通過大量的分立原件來實現的．所產生的脈沖頻率和寬度往往不是很準確，很難做到對舵機的精確控制。另外，利用CPLD或FPGA產生PWM波已在很多場合得到應用，依靠CPLD或FPGA特有的并行處理能力和大量的1/0接口，可以同時控制幾十甚至上百個舵機同時工作，但CPLD或FPGA生成PWM波時，并不具備事務處理能力，實際應用中還需要MCU配合工作，加之成本高，開發設備昂貴，極大的限制了它的應用范圍。
由于單片機具有性能穩定、編程靈活、精度高、價格低廉等特點，用它產生PWM波在實際中得到了廣泛應用。本文給出了一種新穎的利MSP430單片機利用自帶的定時器產生PWM1j~[3.4]的方法，成本低，性能穩定，并成功應用于實踐。
1總體介紹
飛行控制系統總體框架如圖1所示，整個飛控系統是由飛控計算機、舵機控制系統、傳感器系統、GPS、機載電源及地面站系統組成。在飛行過程中，無人機一方面通過傳感器系統和GPS獲得飛行姿態和航向的實時參數，并通過無線電傳回地面；另一方面隨時按收地面上傳的遙控指令。以這些信息為基礎，經過主控計算機控制律解算，按照一定協議輸出控制指令到舵機控制系統[5,6]，再經由舵機控制系統輸出相應的信號控制舵機的偏轉，從而實現對無人機飛行姿態的控制。
2 舵機控制系統硬件設計
2.1系統硬件結構
由于無人機采用燃料電池作為能源，所以要求機載設備盡可能功耗低、體積小、重量輕，這樣既可以降低損耗又能提高系統穩定性和抗干擾能力。基于以上思想，設計了以田公司的MSP430F149單片機[7，9]為核心的舵機控制系統，該系統主要由CPU控制單元、串口通信單元、脈沖信號處理單元、電源等硬件電路組成，系統結構如圖2所示。
2.2舵機簡介
1)舵機的構造與工作原理
舵機主要是由外殼、小型直流電動機、減速齒輪、位置檢測器和控制電路板所構成。其工作原理如圖3所示，其中，直流電動機作為驅動器產生動力源[10]，運動由減速齒輪減速，傳遞給輸出軸和舵盤，在輸出軸后端連接有電位計，用以檢測當前位置，并將此值與驅動信號端口發送來的位置信號進行比較，通過控制電路，將差值放大并由電機執行操作，實現位置伺服[11]。
2)舵機的控制
舵機是無人機飛行控制的執行機構，也是本系統的控制對象，無人機一般裝備有5個舵機，分別用來控制油門、副翼、升降舵、螺距和尾舵[12]。標準的舵機由一個寬度可調昀周期性方波脈沖信號即PWM波控制，以本系統采用的日本Futaba公司生產的S3003舵機為例，其脈沖周期為20 ms，中心脈寬為l 5 ms，對應0度，調節范圍為±1 ms。當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉軸角度相應發生- 90度到90度內的線性改變，并通過連桿拉動舵面運動，從而控制無人機的飛行姿態，舵機輸入脈沖與舵偏角的對應關系如圖4所示。
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