新型超小型無人飛行器舵機控制系統設計

馮偉，龔振邦，羅均，高同躍

(上海大學，上海200072)

摘要：給出了一種基于C8051F單片機和MAX II CPID設計的超小型無人飛行器舵機控制系統，實現了多路脈寬調制(PWM)控制信號的采樣和輸出，通過采樣一路PWM信號實現自控與遙控的切換，并利用串行口與上位機通訊。系統具有成本低廉、安全可靠、實現容易的特點，飛行控制系統的一部分在飛行器多次試飛后，證明是安全實用的。

關鍵詞：舵機控制；C8051F單片機；CPLD

中圖分類號：TM33  文獻標識碼：A  文章編號：1004-7018(2008)07-0053-03

 

 

    O引  言

 

    舵機控制系統是飛行控制計算機和舵機之間的接口，它采集接收機多路PWM信號，與上位機進行通訊，產生控制舵機的多路PwM信號，并實現遙控和自控間的控制模式切換功能[1]。文獻[2、3]中給出了各自的利用單片機來實現上述功能的方法。為了改進使用器件過多或編程復雜或單片機負荷大等缺點，文獻[4、5]加入r電子開關。由于單片機抗干擾能力比較差，而飛機電磁環境又比較惡劣，為了在單片機失效的情況下仍能夠實現遙控和自控之間的切換，文獻[1]加入了濾波器，增加了冗余，進一步保證飛行器的安全，避免了由于舵機控制器失控而發生墜機的危險。

 

    本文給出了一種基于C8051F單片機和MAX II CPLD設計的超小型無人飛行器舵機控制系統，具有成本低廉、安全可靠、實現容易的特點，可在線編程并成功應用于實踐。

 

    1 控制系統硬件設計

 

    1.1舵機

 

    舵機是一個典型閉環反饋系統，主要包括控制電路小型直流電動機、齒輪組及比例電位器。減速齒輪組由電動機驅動，其終端(輸出端)帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉角坐標轉換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產生糾正脈沖，并驅動電動機正向或反向轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為零，從而達到精確定位的目的[6,7]。舵機的控制信號為周期是50 Hz的PWM信號，其中脈沖寬度從O.5～2.O ms，相對應舵盤的位置為O～180°，呈線性變化。

 

    1.2硬件總體設計

 

    在無人飛行器控制系統中，舵機控制系統被分離出來作為獨立模塊和舵機一起由單獨電壓供電，以避免內部信號干擾。無人飛行器接收機一般具有五個遙控通道，分別用來控制五個舵機。另有三個備用通道，可輸出遙控發射機的開關量，可用來切換控制方式。

 

    如圖1所示，接收機的五個遙控通道和三個備用通道與CPLD相連，分別輸入舵機控制信號5和切換控制方式信號6；CPLD根據得到的舵機控制信號5和切換控制方式信號6，輸出舵機控制信號4和模式切換信號3到單片機的信號采樣端口。單片機通過串行口與上位機通訊，將舵機控制信號5和切換控制方式信號6的信息發送給上位機，同時從上位機得到舵機控制信息后，輸出舵機控制信號2到CPLD中，CPLD根據輸入的信號2、5、6，輸出五路舵機控制信號8，經過低通濾波器后，得到五路舵機控制信號7，分別輸出到五個舵機。低通濾波器共有五路，各由一個電阻和一個電容組成，分別對應五路舵機控制信號8進行濾波。CPLD采用有源晶振提供時鐘信號，并輸出時鐘信號1作為單片機的時鐘信號。

 

 

    1.3 CPU和CPLD單元

 

    silicon Lahs公司的C8051F系列單片機是完全集成的混合系統級芯片，具有與8051兼容的高速內核，體積小、功能多，且調試方便[8]。在本設計中，可編程計數器陣列(PCA)模塊讀取接收機信號脈沖寬度，定時器T2、T3用于控制舵機的PWM信號，集成的硬件循環冗余校驗(CRC)模塊用于進行通訊數據校驗。利用其集成的片內資源，使得軟硬件設計大大簡化，系統可靠性極大提高。

 

    Altera公司推出的MAx II器件系列具有低功耗、易用性、實時在系統可編程等優點。本設計選用了EPM240，在其中編程實現了電子開關和切換控制等單元。對不用的輸入端接地，并設置為高阻狀態。為了消除輸出信號產生的毛