關(guān)鍵詞： μC/OSII；ARM；數(shù)字PID；三自由度直升機(jī)
三自由度直升機(jī)可以應(yīng)用于飛行器控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)和性能測試等場合，用以模擬橫列式直升機(jī)，即傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的直升機(jī)狀態(tài)[1]。其控制系統(tǒng)屬于典型的多輸入-多輸出系統(tǒng)，具有非線性和強(qiáng)交叉耦合性，不易用傳遞函數(shù)和狀態(tài)方程描述，是控制系統(tǒng)中較為復(fù)雜的被控對象[2，3]。實(shí)驗(yàn)室配備的三自由度直升機(jī)平臺采用PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡的控制方案，運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)時(shí)測量并控制三自由度直升機(jī)平臺的飛行姿態(tài)，控制量的計(jì)算則由PC機(jī)完成[4]。該方案偏離了真實(shí)直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)方案。為此，本文采用嵌入式設(shè)計(jì)方法重新設(shè)計(jì)了三自由度直升機(jī)的控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，改變外接的飛行搖桿的俯仰角和橫側(cè)角，并以此為指令信號，實(shí)時(shí)控制三自由度直升機(jī)平臺的飛行姿態(tài)。通過對飛行搖桿上快捷鍵的控制，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在“輔助操縱”、“全自動(dòng)駕駛”和“改平”3種工作模式之間的切換。
1 系統(tǒng)工作原理
1.1 系統(tǒng)的整體方案
系統(tǒng)整體方案如圖1所示。其中三自由度直升機(jī)由2個(gè)直流無刷電機(jī)帶動(dòng)，模擬橫列式直升機(jī)，即傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)[1]的直升機(jī)狀態(tài)。
三自由度直升機(jī)可以繞3個(gè)相互垂直的軸旋轉(zhuǎn)，分別對應(yīng)直升機(jī)模型的俯仰角、橫側(cè)角和航向角。飛行搖桿選用北通公司的幻影318飛行搖桿，利用搖桿的俯仰和橫側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出與搖桿的俯仰角和橫側(cè)角對應(yīng)的直流電壓，用于控制三自由度直升機(jī)的俯仰角和橫側(cè)角的指令信號；利用搖桿手柄上的按鈕，輸出脈沖信號，用于控制三自由度直升機(jī)在不同工作模式之間切換。
1.2 系統(tǒng)的工作模式
系統(tǒng)具有輔助操縱(有人工操作)、全自動(dòng)駕駛(無人操作)、(強(qiáng)制)改平3種工作模式[5]。由飛行搖桿上的若干快捷按鈕實(shí)現(xiàn)對各種工作模式的切換。
1.2.1 輔助操縱
由人工操縱飛行搖桿的俯仰和傾斜，以此作為三自由度直升機(jī)俯仰角和橫側(cè)角的指令信號，由嵌入式控制器依據(jù)閉環(huán)反饋的PID控制律實(shí)現(xiàn)整體操縱。
這種工作模式用于模擬飛機(jī)的有人駕駛狀態(tài)。此時(shí)飛行控制系統(tǒng)輔助飛行員通過搖桿對飛機(jī)操縱，可以減輕操縱者的工作負(fù)擔(dān)；同時(shí)對飛機(jī)進(jìn)行控制增穩(wěn)，既確保飛機(jī)的穩(wěn)定，又可抵御陣風(fēng)等外部干擾，減輕擾動(dòng)對飛行品質(zhì)的影響。
1.2.2 全自動(dòng)駕駛
飛行搖桿對系統(tǒng)的控制被屏蔽，系統(tǒng)以進(jìn)入該工作模式時(shí)刻三自由度直升機(jī)的俯仰角和橫側(cè)角的當(dāng)前值為指令信號，由嵌入式控制器依據(jù)閉環(huán)反饋的PID控制律實(shí)現(xiàn)整體操縱。
這種工作模式用于模擬飛機(jī)的無人控制全自動(dòng)飛行狀態(tài)。當(dāng)飛行員人工把飛機(jī)操縱到理想的飛行姿態(tài)后，通過切換按鈕進(jìn)入這種模式，由飛行控制系統(tǒng)對飛行姿態(tài)的當(dāng)前值進(jìn)行穩(wěn)定，保證飛機(jī)按剛進(jìn)入該狀態(tài)時(shí)的各種姿態(tài)角、速度、高度、航向飛行；同時(shí)對飛機(jī)進(jìn)行控制增穩(wěn)，提高飛行品質(zhì)。該工作模式突出體現(xiàn)了飛行控制系統(tǒng)的功能，可以大大降低飛行員的工作量，減輕疲勞。
1.2.3 改平
系統(tǒng)強(qiáng)制俯仰角和橫側(cè)角的指令值都為0，飛行搖桿對系統(tǒng)的控制被屏蔽，以此強(qiáng)制控制三自由度直升機(jī)俯仰角和橫側(cè)角為0，實(shí)現(xiàn)三自由度直升機(jī)的水平穩(wěn)定運(yùn)行。
這種工作模式用于模擬飛行控制系統(tǒng)的改平功能。當(dāng)飛行員遇到突發(fā)情況時(shí)(如飛行員受傷等)，采用這種功能可以很方便地把飛機(jī)由任何姿態(tài)改變?yōu)閯蛩倨斤w的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)然這種功能也可以用于飛行員平時(shí)把飛機(jī)拉平的過程，即采用“改平”模式可以方便飛行員的操作。
1.3 系統(tǒng)功能模塊
在圖1方案的基礎(chǔ)上，可以制定出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“輔助操縱”功能時(shí)的整體策略，如圖2所示。
由圖2可知，三自由度直升機(jī)平臺的嵌入式控制器整體上包含接口與控制兩方面的功能。接口功能對應(yīng)為圖2中的ADC采樣、旋轉(zhuǎn)編碼器解碼、PWM輸出3個(gè)功能模塊?？刂乒δ苁遣捎没诜答佅到y(tǒng)的PID控制方法計(jì)算控制信號，對應(yīng)為圖中的PID控制功能模塊。
在圖2的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，就可以獲得嵌入式控制器的“全自動(dòng)操縱”和“改平”工作模式的實(shí)現(xiàn)方法。區(qū)別在于閉環(huán)控制系統(tǒng)指令信號的來源不同。這兩種模式下，圖2中的指令信號不再由搖桿給定，搖桿的功能被屏蔽。“全自動(dòng)操縱”模式下，指令信號為剛剛進(jìn)入該工作模式時(shí)刻三自由度直升機(jī)平臺輸出的測量值；“改平”模式下，俯仰角和橫側(cè)角值的指令信號都為0。
2 硬件與軟件設(shè)計(jì)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
硬件部分的主體是嵌入式控制盒。控制盒由EasyARM1138開發(fā)板[6]、信號調(diào)理板和機(jī)箱外殼3部分組成。
2.1.1 EasyARM1138開發(fā)板
EasyARM1138使用32 bit ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有豐富的接口資源。具體配置如下：
(1)采用EasyARM1138的2個(gè)ADC端口(ADC0、ADC1)測量飛行搖桿輸入的模擬電壓信號，采用軟件等比例地?fù)Q算成對應(yīng)的角度信號，由此實(shí)現(xiàn)對飛行搖桿的指令角度信號的測量。
(2)采用EasyARM1138的3個(gè)GPIO口(PB0、PF6、PF4)測量三自由度直升機(jī)的俯仰角信號的輸出脈沖，3個(gè)GPIO口(PB2、PF1、PF2)測量三自由度直升機(jī)的橫側(cè)角信號的輸出脈沖。通過軟件編程，采用中斷的方法實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)，由此實(shí)現(xiàn)對三自由度直升機(jī)飛行姿態(tài)的測量。
(3)采用EasyARM1138的Time2模塊產(chǎn)生PWM信號，將Timer2模塊中的TimerA和TimerB配置為16位的遞減計(jì)數(shù)器，其對應(yīng)的EasyARM1138上的2個(gè)GPIO口(PF7和PC4)的PWM輸出作為三自由度直升機(jī)的2個(gè)直流無刷電機(jī)的控制信號，通過調(diào)整TimerA和TimerB中的匹配值來等效地調(diào)整2個(gè)直流無刷電機(jī)的輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)對這兩個(gè)直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。
2.1.2 信號調(diào)理板
由于GPIO測量的8個(gè)信號(三自由度直升機(jī)的角度信號對應(yīng)的6個(gè)脈沖信號和飛行搖桿對應(yīng)的2個(gè)角度信號)在實(shí)際測量時(shí)不可避免地存在噪聲，被噪聲污染的信號直接送入EasyARM1138會(huì)使測量出現(xiàn)很大的誤差，從而對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。嚴(yán)重時(shí)會(huì)使三自由度直升機(jī)的電機(jī)以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行，此時(shí)系統(tǒng)實(shí)際上已經(jīng)發(fā)散，無法平衡。
EasyARM1138的GPIO需要測量的8個(gè)信號量先經(jīng)過信號調(diào)理電路調(diào)理以后，再送入EasyARM1138。經(jīng)過實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，而且動(dòng)態(tài)性能理想。
2.1.3 控制盒
嵌入式控制器的外部采用通用的塑料機(jī)箱外殼，在其側(cè)面開口用于安放各種接口。控制盒整體采用外接的5 V、2 A電源供電，盒上保留了與外部穩(wěn)壓整流電源的插口。盒上安放了一個(gè)電源開關(guān)用于對控制盒的供電進(jìn)行控制，并用一個(gè)LED二極管指示燈指示電源的開關(guān)狀態(tài)。
控制盒的端面安放了一個(gè)橙色的無鎖開關(guān)，用來對EasyARM1138進(jìn)行復(fù)位操作。在該端面同時(shí)有一個(gè)DB9的插孔，用于和來自飛行搖桿(北通瞬風(fēng)318飛行搖桿改裝)的DB9插頭相連接。在另一端面安放了一個(gè)DB25插孔，用于和來自三自由度直升機(jī)的DB25插頭相連。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
全部軟件基于IAR Embedded Workbench for ARM編程平臺[7]，在μC/OSII操作系統(tǒng)中使用C語言進(jìn)行開發(fā)。生成的全部軟件通過外接的USB電纜下載至EasyARM1138。軟件整體上分為接口和控制兩個(gè)功能模塊。
2.2.1 接口功能的實(shí)現(xiàn)
(1)ADC采樣
飛行搖桿上下?lián)u動(dòng)給出俯仰信號，左右搖動(dòng)給出橫側(cè)信號，2路信號通過濾波電容進(jìn)行整形，送到EasyARM1138開發(fā)板的ADC，ADC同時(shí)將2路連續(xù)的模擬電壓轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量。通過電壓的比例換算，計(jì)算出飛行搖桿給出的俯仰與橫側(cè)的角度。
EasyARM1138開發(fā)板的ADC采樣模塊提供的最大電壓為3.3 V，設(shè)置搖桿輸入的電壓量程為0 V～3.3 V，ADC采樣率為125 kS/s。ADC模塊的轉(zhuǎn)換分辨率為10 bit，其轉(zhuǎn)換范圍為0～1 024。當(dāng)搖桿模擬信號輸入到ADC，ADC將其轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量ulVal0，則搖桿輸入的電壓值ulVal1=(ulVal0/1 024)×3 300。再根據(jù)三自由度直升機(jī)俯仰角的范圍0°～60°將搖桿的電壓值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的角度值，即搖桿輸入俯仰的角度angle02 =ulVal1/3 300×60。同理可以將搖桿輸入橫側(cè)的角度算出來。
(2)旋轉(zhuǎn)編碼器解碼
三自由度直升機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)信號是通過3個(gè)光電旋轉(zhuǎn)編碼器檢測傳送到控制盒中的，為了檢測俯仰與橫側(cè)的角度，需要對編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，算出當(dāng)前俯仰與橫側(cè)的角度。
編碼器輸出的是相位差為90°的A相和B相兩對差分脈沖信號。從A、B 2個(gè)輸出信號的相位關(guān)系（超前或滯后）可判斷編碼器旋轉(zhuǎn)的方向。當(dāng)編碼器碼盤正轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖波形比B道超前π/2，而反轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖波形比B道滯后π/2[8]。旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的波形信號如圖3。
對于俯仰時(shí)編碼器輸出的兩對差分信號A+與A-和B+與B-，可以只用A+、B+、B-這3個(gè)信號測量俯仰角度數(shù)。采用EasyARM1138開發(fā)板GPIO的邊沿觸發(fā)中斷，設(shè)B+與B-的脈沖上升沿觸發(fā)產(chǎn)生中斷。當(dāng)B+脈沖產(chǎn)生中斷時(shí)，檢測A+脈沖輸入的高低電平，同時(shí)對B+脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。如圖4所示，若A+為高電平可判斷A超前B，計(jì)數(shù)變量FA1自動(dòng)加1（設(shè)計(jì)數(shù)變量初值FA1=30 000）；若為低電平可判斷A滯后B，計(jì)數(shù)變量FA1自動(dòng)減1。為了消除三自由度直升機(jī)平衡桿抖動(dòng)帶來的脈沖計(jì)數(shù)誤差，對B-脈沖設(shè)置了中斷計(jì)數(shù)，這樣相當(dāng)于對脈沖B進(jìn)行了二倍頻計(jì)數(shù)。當(dāng)B-上升沿脈沖產(chǎn)生中斷時(shí)，檢測A+脈沖輸入的高低電平，同時(shí)對B-脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。若A+為高電平可判斷A滯后B，計(jì)數(shù)變量FA1自動(dòng)減1；若為低電平可判斷A超前B，計(jì)數(shù)變量FA1自動(dòng)加1。
編碼器碼盤上的圓周等分條紋數(shù)為600，被測軸旋轉(zhuǎn)一周，編碼器的A、B兩相分別發(fā)出600個(gè)脈沖，A、B兩相的脈沖當(dāng)量即對應(yīng)的角度P=360°/600。由于對B脈沖一個(gè)周期進(jìn)行了2次計(jì)數(shù)，則FA1計(jì)數(shù)的每一個(gè)脈沖對應(yīng)的角度為P/2。編碼器的旋轉(zhuǎn)角度即三自由度直升機(jī)的俯仰角angle00=(FA1-30 000)×P/2。
同理，對三自由度直升機(jī)橫側(cè)時(shí)編碼器輸出的3個(gè)信號進(jìn)行測量，算出橫側(cè)的角度。
(3)PWM輸出
通過PID控制算出的電壓，經(jīng)由EasyARM1138開發(fā)板Timer2產(chǎn)生PWM方波信號，以此來輸出控制2個(gè)直流無刷電機(jī)的電壓輸入。
設(shè)置Timer2模塊中TimerA和TimerB的初值為6 000，其輸出的電壓范圍為0 V～3.3 V。PID控制算出的電壓V00與TimerA和TimerB裝載的匹配值對應(yīng)成線性變化，比例系數(shù)為K=0.3。匹配值 MP1=V00×K×6 000（0≤V00×K≤1）。匹配值隨著PID控制算出的電壓變化而變化，然后根據(jù)PWM占空比輸出對應(yīng)的電壓控制三自由度直升機(jī)的2個(gè)電機(jī)。
2.2.2 控制律生成方法
控制律生成方法分為系統(tǒng)建模和PID控制兩部分。系統(tǒng)建模的過程具體可以參見固高公司的產(chǎn)品手冊[4]。
2個(gè)電機(jī)的輸出電壓采用增量式數(shù)字PID控制算法，用C語言編程實(shí)現(xiàn)：
V01是電機(jī)1當(dāng)前的電壓，V00是電機(jī)1上一次采樣時(shí)的電壓，Ee[i]是三次采樣俯仰角的角度誤差值；
V11是電機(jī)2當(dāng)前的電壓，V10是電機(jī)2上一次采樣時(shí)的電壓，Ep[i]是三次采樣橫側(cè)角的角度誤差值。
3 系統(tǒng)測試及結(jié)果
為了對系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行測試，特采用數(shù)字示波器(Tektronix TDS220)和萬用表對飛行搖桿給出的俯仰角和橫側(cè)角的指令信號，以及三自由度直升機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出的實(shí)際俯仰角和橫側(cè)角信號進(jìn)行測試和分析。測試工具還需要EasyARM1138調(diào)試開發(fā)軟件IAR Embedded Workbench for ARM 5.11及相應(yīng)的內(nèi)嵌USB接口的下載仿真器。
搖桿信號與三自由度直升機(jī)信號分別接到控制盒的兩端，這時(shí)將程序加載到EasyARM1138開發(fā)板中，對控制系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試。
3.1 三自由度直升機(jī)的啟動(dòng)與穩(wěn)定運(yùn)行
打開三自由度直升機(jī)電機(jī)的電源，保持搖桿的平衡狀態(tài)及運(yùn)行程序，三自由度直升機(jī)的俯仰軸會(huì)平穩(wěn)地向上轉(zhuǎn)動(dòng)，俯仰角穩(wěn)定地由-30°變化到0°。當(dāng)俯仰角穩(wěn)定下來后，俯仰軸基本上不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這時(shí)的俯仰角軸旋轉(zhuǎn)編碼器的測量信號理想值應(yīng)該是一條平穩(wěn)的直線，沒有任何脈沖產(chǎn)生。但實(shí)際上可能會(huì)存在小幅振動(dòng)，對應(yīng)信號圖形為少數(shù)的脈沖信號。
圖4中每格的時(shí)間長度為1 s。由圖4可知，在10 s的時(shí)間長度內(nèi)，俯仰角旋轉(zhuǎn)編碼器輸出了少量脈沖信號，每個(gè)脈沖對應(yīng)角度變化為0.3°(上下波動(dòng))。
在理解此圖的基礎(chǔ)上，對圖5所示的圖形也就不難理解了。圖5中給出的是俯仰角由-30°變化到0°時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出波形。
可以看出，俯仰角為-30°和0°時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出都近似為直線，或只有很少的脈沖。而在從-30°變化到0°的變化過程中，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出表現(xiàn)為密集的脈沖信號，而且剛開始的時(shí)候脈沖比較密，后面稍微稀疏。對應(yīng)為俯仰角的變化過程，開始時(shí)角度變化速度比較快，后面稍慢。
對于該過程，采用EasyARM1138串口通信把旋轉(zhuǎn)編碼器的角度數(shù)據(jù)讀入電腦，然后通過Matlab繪制得到如圖6所示的數(shù)據(jù)變化曲線。
3.2 三自由度直升機(jī)的增穩(wěn)
當(dāng)三自由度直升機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，若有外部擾動(dòng)，例如陣風(fēng)等沖擊信號作用在三自由度直升機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，則在控制器的作用下，系統(tǒng)應(yīng)該能自動(dòng)抵御該擾動(dòng)，擾動(dòng)消除后，系統(tǒng)恢復(fù)到原來位置。
圖7給出了三自由度直升機(jī)的俯仰軸受到?jīng)_擊擾動(dòng)時(shí)的俯仰角旋轉(zhuǎn)編碼器輸出信號波形。由圖7可以看出，擾動(dòng)作用剛發(fā)生瞬時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器開始輸出密集的脈沖，表明此時(shí)俯仰軸在做持續(xù)運(yùn)動(dòng)。而擾動(dòng)發(fā)生以前和擾動(dòng)過去一定時(shí)間后，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出為少量的脈沖信號，表明俯仰軸基本上處于平衡狀態(tài)。
在該過程中，采用EasyARM1138串口通信把旋轉(zhuǎn)編碼器的角度數(shù)據(jù)讀入電腦，然后通過Matlab繪制得數(shù)據(jù)變化曲線如圖8。
3.3 討論
(1)系統(tǒng)的連調(diào)過程只給出了系統(tǒng)的輔助操縱過程的輸出通道效果。因?yàn)樗玫腡ektronix TDS220數(shù)字示波器在測試雙通道信號時(shí)，2個(gè)通道信號的波形存在時(shí)間偏差，所以無法同時(shí)給出理想的輸入信號與輸出信號的對比波形。
(2)對于系統(tǒng)的另外兩個(gè)工作模式，“全自動(dòng)駕駛”的效果與圖8類似，而“改平”功能的效果與圖6相似，在此不多敘述。
(3)由于三自由度直升機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器為增量式的旋轉(zhuǎn)編碼器，只能反映角度的變化量，因此，看到的穩(wěn)態(tài)情況下編碼器輸出脈沖數(shù)都近似為零。而當(dāng)前角度的計(jì)算方法是：初始角度+角度變化量。系統(tǒng)對俯仰角和橫側(cè)角的穩(wěn)定，實(shí)際上是對相對初始角度變化量的穩(wěn)定。
本文討論了三自由度直升機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全部開發(fā)過程。控制系統(tǒng)經(jīng)過測試，各項(xiàng)功能滿足設(shè)計(jì)要求。因此整體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路可行，設(shè)計(jì)結(jié)果合理、可靠。其方法可以推廣應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)小型無人直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，可以為研制真實(shí)的數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)提供技術(shù)儲備，可以應(yīng)用于其他運(yùn)動(dòng)測控系統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)。
參考文獻(xiàn)
[1] 蔡汝鴻．美國陸軍著重研究傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)[J]．直升機(jī)技術(shù)，2008(1)：64．
[2] SHAN J，LIU H T，NOWOTNY S.Synchronised trajectory- tracking control of multiple3-DOF experimental helicopters[J]. IEE Proc.-Control theory Appl，2005，152(6).
[3] Malgorzata S Zywno，Derek Pereira.Innovative initiative in control eduction at ryerson polytechnic University—Fuzzy logic control of the3D helicopter simulator[C].Proceedings of the american control conference，2006.
[4] 固高科技．三自由度直升機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)參考手冊．固高科技(深圳)有限公司，2004．
[5] 吳森堂，費(fèi)玉華．飛行控制系統(tǒng)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：258-262．
[6] 周立功公司．EasyARM1138——內(nèi)嵌USB仿真器的Cortex M3開發(fā)板［EB/OL］．http：//www.embedtools.com/pro_kaifa/ARM/EasyARM1138.asp．2008．
[7] 徐愛鈞．IAR EWARM嵌入式系統(tǒng)編程與實(shí)踐[M]．北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，2006．
[8] 段海濱，王道波，黃向華．光電軸角編碼器在飛行仿真伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．傳感器技術(shù)，2004(23)．