專(zhuān)利名稱(chēng)：基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器(一) 技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種基于單片機(jī)(Single Chip Microcomputer)的無(wú)人機(jī) (Unmanned Aerial Vehicle)地面仿真系統(tǒng)控制器，屬于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)領(lǐng) 域。(二) 背景技術(shù)無(wú)人機(jī)是一種有動(dòng)力、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種作戰(zhàn) 任務(wù)并能重復(fù)使用的無(wú)人戰(zhàn)術(shù)飛行器。由于其零傷亡風(fēng)險(xiǎn)和高機(jī)動(dòng)性等優(yōu) 勢(shì)引起了各國(guó)軍方的高度重視。無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)是一種可在地面進(jìn)行 半實(shí)物仿真和測(cè)試的硬件設(shè)備。該系統(tǒng)可在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)實(shí)時(shí)地復(fù)現(xiàn)無(wú)人 機(jī)在空中飛行時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性和各種飛行姿態(tài)，從而大大的節(jié)約無(wú)人機(jī)開(kāi) 發(fā)、研制的成本，縮短研制周期，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到仿真實(shí)驗(yàn)的逼 真性和置信度。但目前現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)基本上都是基于工控機(jī) 控制的，其成本高、使用繁瑣。(三) 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種用于無(wú)人機(jī)做地面仿真實(shí)驗(yàn)的基于單片機(jī) 的無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器。該無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)的內(nèi)框、中框和外 框分別模擬無(wú)人機(jī)的滾轉(zhuǎn)、俯仰及方位三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，可為無(wú)人 機(jī)的研制和改進(jìn)提供重要技術(shù)參數(shù)。本發(fā)明所開(kāi)發(fā)研究的基于單片機(jī)的無(wú) 人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器具有操縱簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，并 可增強(qiáng)無(wú)人機(jī)做地面仿真系統(tǒng)的魯棒性，并具有很高的控制品質(zhì)。該發(fā)明可用作無(wú)人機(jī)的地面仿真試驗(yàn)平臺(tái)，也可用作導(dǎo)彈、魚(yú)雷、火 箭等運(yùn)動(dòng)體的地面姿態(tài)模擬。(1)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是對(duì)其控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)的必 要前提。在對(duì)被控對(duì)象理論分析的基礎(chǔ)上,可建立其數(shù)學(xué)模型1。公式(1) (3)3給出了無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)地面仿真系 統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)是以此模型作為被控對(duì)象?！秝<formula>formula see original document page 4</formula>(1)《3)式中，^為力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；人為負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；K為 力矩電機(jī)的電樞電壓；丄。為力矩電機(jī)的電樞電感；i 。為力矩電機(jī)的電樞 電阻；尺 為電磁力矩系數(shù)；A^為粘性阻尼系數(shù)；Z^為框架的粘性阻尼 系數(shù)；&2為力矩電機(jī)和框架的耦合剛度。由此，無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)可用圖l表示。(2)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，該無(wú)人機(jī) 地面仿真系統(tǒng)由三個(gè)控制回路組成，即電流環(huán)回路、速度環(huán)回路和位置環(huán) 回路，稀土永磁直流力矩電機(jī)的PWM功率放大器采用了電流環(huán)校正控 審U，由于在電流環(huán)回路中采用了無(wú)凈差閉環(huán)調(diào)節(jié)并利用了電子最佳調(diào)節(jié)原 理進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，以提高直流力矩電機(jī)的響應(yīng)速度及頻響范圍，并有效地 保證直流力矩電機(jī)工作安全可靠。無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器滾轉(zhuǎn)框、俯仰框和偏航框的模擬速度控制 回路均采用了直流測(cè)速機(jī)作為速度反饋元件，其中滾轉(zhuǎn)框、俯仰框采用 225CYDN03T2型，而偏航框采用320CYDN01B1型，它們的線(xiàn)性誤差、 輸出不對(duì)稱(chēng)度和紋波系數(shù)均小于1%。通過(guò)速率模擬控制電路完成電機(jī)速 度的閉環(huán)控制。在模擬速度環(huán)回路中控制規(guī)律采用了線(xiàn)性補(bǔ)償控制，這樣 可保證無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器的速度回路不僅具有很高的靜態(tài)精度， 而且在動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面也具有足夠?qū)挼念l帶范圍。該無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)的位置環(huán)回路將由數(shù)字控制回路(24位帶鎖存 的并行口)和模擬控制回路(士10V控制電壓)兩部分組成。實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)既可以接受數(shù)字給定信號(hào)，也可以接受模擬給定信號(hào)。在模擬位置環(huán)回路中， 采用了電位計(jì)反饋，這樣可保證在伺服接通后，無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)各框架處于近似零位；在數(shù)字位置環(huán)回路中，位置反饋元件采用了 18000線(xiàn)/ 轉(zhuǎn)的RON705增量式光電軸角編碼器，經(jīng)EXE650B五十細(xì)分器和四倍頻 調(diào)理電路后，可獲得0.0001。的轉(zhuǎn)角分辨率。單片機(jī)控制器用于控制無(wú)人 機(jī)地面仿真系統(tǒng)的運(yùn)行姿態(tài)，而單片機(jī)監(jiān)控器用于監(jiān)控?zé)o人機(jī)地面仿真系 統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，并將無(wú)人機(jī)的滾轉(zhuǎn)、俯仰及方位三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)姿 態(tài)實(shí)時(shí)上報(bào)至控制機(jī)。在位置環(huán)校正環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)中充分利用高性能控制機(jī) 的控制律解算能力，采用了 NLPID、全頻段變頻前饋補(bǔ)償?shù)瓤刂撇呗裕?有效地提高了無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器的伺服精度，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)控制的 魯棒性能，以滿(mǎn)足該無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)各種工作狀態(tài)的要 求。在無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)滾轉(zhuǎn)框、俯仰框和偏航框的控制回路中，各增 設(shè)一套自動(dòng)尋零控制回路，可使串行工作的光電軸角編碼器能獲得零位信 號(hào)，即在高性能控制機(jī)的三角波激勵(lì)下，使無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)相應(yīng)框架 能在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)，同時(shí)打開(kāi)光電軸角編碼器的清零電路，使光電軸角 編碼器能獲得絕對(duì)零位信號(hào)。在尋零過(guò)程完成后，無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)的 控制器可自動(dòng)進(jìn)入由光電軸角編碼器作為角度反饋元件的數(shù)字位置閉環(huán) 控制回路。本發(fā)明一種基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器，其技術(shù)方案如下該基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器主要由硬件系統(tǒng)和軟件 系統(tǒng)兩大部分組成。其中，硬件部分由單片機(jī)監(jiān)控器、單片機(jī)控制器和工 控機(jī)組成；軟件部分則由主程序模塊、中斷處理模塊、控制運(yùn)算模塊、故 障監(jiān)控保護(hù)模塊、按鍵處理模塊及顯示模塊組成。(1)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器單片機(jī)硬件配置無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)單片機(jī)控制器釆用AT89C52作為控制芯片， AT89C52含有8KB閃速可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器的8位CMOS，是一種低 功耗、高性能的微控制器。模擬器的單片機(jī)控制系統(tǒng)配置框圖如圖3所示， 其中單片機(jī)控制器負(fù)責(zé)碼盤(pán)計(jì)數(shù)讀入、按鍵信號(hào)讀入判別、限位信號(hào)選擇5讀入、數(shù)據(jù)處理以及位置速度信號(hào)顯示并送工控機(jī)工作；單片機(jī)監(jiān)控器負(fù) 責(zé)完成模擬器故障保護(hù)信號(hào)的監(jiān)測(cè)判別、點(diǎn)亮故障保護(hù)燈報(bào)警并將相應(yīng)故 障信號(hào)上報(bào)工控機(jī)。工控機(jī)主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器的控制律 解算和各種狀態(tài)信號(hào)的綜合處理。這三個(gè)核心控制模塊可實(shí)現(xiàn)將無(wú)人機(jī)導(dǎo)引頭載體的方位、俯仰和滾轉(zhuǎn) 的指令轉(zhuǎn)換成無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)三個(gè)框架的機(jī)械轉(zhuǎn)角指令，控制模擬器 跟蹤指令，并對(duì)各種故障保護(hù)信號(hào)做出及時(shí)有效的處理，從而構(gòu)成一個(gè)可 靠的半實(shí)物仿真環(huán)境。(2)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)單片機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)單片機(jī)控制器的軟件釆用了模塊化設(shè)計(jì) (Modularization Design)思想，其優(yōu)點(diǎn)是思路清晰、通用性強(qiáng)、便于調(diào)試。 軟件模塊由主程序、中斷處理模塊、控制運(yùn)算模塊、故障監(jiān)控保護(hù)模塊、 按鍵處理模塊、顯示模塊等組成。它們可采集其無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)三個(gè) 框架的位置、速度、按鍵、越位、故障保護(hù)等信號(hào)，并聯(lián)合工控機(jī)對(duì)無(wú)人 機(jī)地面仿真系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制。<1>主程序主程序主要負(fù)責(zé)AT89C52內(nèi)部RAM、 I/O 口、 8255、堆棧指針、內(nèi) 部定時(shí)器等處理單元的初始化。<2>中斷處理模塊中斷處理模塊主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器的中斷處理，每 l; w采樣一次。<3〉控制運(yùn)算模塊控制運(yùn)算模塊主要負(fù)責(zé)角位置和速度的解算，軟件中采用了數(shù)字增量 式PlD算法和前饋?zhàn)儏?shù)補(bǔ)償技術(shù)，從而保證無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制 器的動(dòng)態(tài)性能及靜態(tài)指標(biāo)要求。<4>故障監(jiān)控保護(hù)模塊故障監(jiān)控保護(hù)模塊主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器運(yùn)行過(guò)程中過(guò) 壓、欠壓、過(guò)流、功放故障等非正常狀態(tài)的檢測(cè)，并上報(bào)工控機(jī)以做出相應(yīng)保護(hù)處理。<5>按鍵處理模塊按鍵處理模塊主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器的啟動(dòng)、停止、復(fù) 位、限位撥碼等按鍵信號(hào)的采集，并根據(jù)相應(yīng)按鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)至相應(yīng)子程序處 理。<6>顯示模塊顯示模塊主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器實(shí)際運(yùn)行位置、速度、 按鍵狀態(tài)的顯示。該模塊以中斷方式工作，累計(jì)中斷計(jì)數(shù)10ws則更新一 次顯示的數(shù)據(jù)，從而保證顯示清晰、穩(wěn)定。本發(fā)明一種基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器，其優(yōu)點(diǎn)及所達(dá)成的功效是該基于單片機(jī)控制的無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)的幅值跟蹤誤差和 相位跟蹤誤差均很小，對(duì)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快，系統(tǒng)的魯棒性很強(qiáng)， 具有很高的控制品質(zhì)。誶發(fā)明可用作無(wú)人機(jī)的地面仿真試驗(yàn)平臺(tái)，也可用作導(dǎo)彈、魚(yú)雷、火 箭等運(yùn)動(dòng)體的地面姿態(tài)模擬。

圖l無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器的數(shù)學(xué)模型方框圖圖2無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器總體結(jié)構(gòu)圖3無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)單片機(jī)硬件配置圖4無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器單片機(jī)程序流程圖5無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)的含實(shí)物半物理仿真試驗(yàn)結(jié)果圖中標(biāo)號(hào)及符號(hào)說(shuō)明如下 "參考指令電壓《,"~一力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)角&——負(fù)載的轉(zhuǎn)角X——力矩電機(jī)的反電勢(shì)系數(shù)功率放大器的放大倍數(shù)具體實(shí)施方式
本發(fā)明一種基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器，其結(jié)構(gòu)和實(shí)物照片分別如圖3所示。該控制器由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。其 中，硬件部分由單片機(jī)監(jiān)控器、單片機(jī)控制器和工控機(jī)組成；軟件部分則 由主程序模塊、中斷處理模塊、控制運(yùn)算模塊、故障監(jiān)控保護(hù)模塊、按鍵 處理模塊及顯示模塊組成。(1)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器單片機(jī)硬件配置該單片機(jī)控制器負(fù)責(zé)碼盤(pán)計(jì)數(shù)讀入、按鍵信號(hào)讀入判別、限位信號(hào)選 擇讀入、數(shù)據(jù)處理以及位置速度信號(hào)顯示并送工控機(jī)工作；單片機(jī)監(jiān)控器 負(fù)責(zé)完成模擬器故障保護(hù)信號(hào)的監(jiān)測(cè)判別、點(diǎn)亮故障保護(hù)燈報(bào)警并將相應(yīng) 故障信號(hào)上報(bào)工控機(jī)。工控機(jī)主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器的控制 律解算和各種狀態(tài)信號(hào)的綜合處理。 (2)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)單片機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)單片機(jī)控制器的軟件采用了模塊化設(shè)計(jì) (ModularizationDesign)思想，其軟件模塊由主程序模塊、中斷處理模塊、 控制運(yùn)算模塊、故障監(jiān)控保護(hù)模塊、按鍵處理模塊、顯示模塊等組成。它 們可采集其無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)三個(gè)框架的位置、速度、按鍵、越位、故 障保護(hù)等信號(hào)，并聯(lián)合工控機(jī)對(duì)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制。其流 程框圖如圖4所示。<1>主程序模塊主要負(fù)責(zé)AT89C52內(nèi)部RAM、 I/O 口、 8255、堆 棧指針、內(nèi)部定時(shí)器等處理單元的初始化；<2>中斷處理模塊主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器的中斷處 理，每lws釆樣一次；<3>控制運(yùn)算模塊控制運(yùn)算模塊主要負(fù)責(zé)角位置和速度的解算，軟 件中采用了數(shù)字增量式PID算法和前饋?zhàn)儏?shù)補(bǔ)償技術(shù)；<4>故障監(jiān)控保護(hù)模塊主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器運(yùn)行過(guò) 程中過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、功放故障等非正常狀態(tài)的檢測(cè)，并上報(bào)工控機(jī)以做出相應(yīng)保護(hù)處理；<5>按鍵處理模塊主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器的啟動(dòng)、停 止、復(fù)位、限位撥碼等按鍵信號(hào)的采集，并根據(jù)相應(yīng)按鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)至相應(yīng)子 程序處理；<6>顯示模塊主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器實(shí)際運(yùn)行位置、 速度、按鍵狀態(tài)的顯示；該模塊以中斷方式工作，累計(jì)中斷計(jì)數(shù)10/^則 更新一次顯示的數(shù)據(jù)。在所開(kāi)發(fā)的無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)上，對(duì)某無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了系列含實(shí) 物半物理仿真試驗(yàn)。圖5(a)是正弦波標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)給定時(shí)的模擬器的實(shí)時(shí)運(yùn)行 曲線(xiàn)；圖5(b)是三角波給定時(shí)的模擬器的實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線(xiàn)。
權(quán)利要求1、一種基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器，它主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成；其特征在于其硬件部分由單片機(jī)監(jiān)控器、單片機(jī)控制器和工控機(jī)組成；其無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器單片機(jī)硬件配置的情況是無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)單片機(jī)控制器采用AT89C52作為控制芯片，AT89C52含有8KB閃速可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器的8位CMOS；其中，負(fù)責(zé)碼盤(pán)計(jì)數(shù)讀入、按鍵信號(hào)讀入判別、限位信號(hào)選擇讀入、數(shù)據(jù)處理以及位置速度信號(hào)顯示并送工控機(jī)工作之單片機(jī)控制器、負(fù)責(zé)完成模擬器故障保護(hù)信號(hào)的監(jiān)測(cè)判別、點(diǎn)亮故障保護(hù)燈報(bào)警并將相應(yīng)故障信號(hào)上報(bào)工控機(jī)之單片機(jī)監(jiān)控器以及負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器的控制律解算和各種狀態(tài)信號(hào)的綜合處理之工控機(jī)，這三個(gè)核心控制模塊構(gòu)成一個(gè)可靠的半實(shí)物仿真環(huán)境。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供了一種基于單片機(jī)的無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器。該控制器核心硬件采用AT89C52作為控制芯片，單片機(jī)控制器負(fù)責(zé)編碼器計(jì)數(shù)讀入、按鍵信號(hào)讀入判別、限位信號(hào)選擇讀入、數(shù)據(jù)處理以及位置速度信號(hào)顯示并送工控機(jī)工作；單片機(jī)監(jiān)控器負(fù)責(zé)完成模擬器故障保護(hù)信號(hào)的監(jiān)測(cè)判別、報(bào)警并將相應(yīng)故障信號(hào)上報(bào)工控機(jī)；工控機(jī)主要負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)控制器的控制律解算和各種狀態(tài)信號(hào)的綜合處理。該控制器軟件采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，主要由主程序、中斷處理、控制運(yùn)算、故障監(jiān)控保護(hù)、按鍵處理及顯示等模塊組成，可實(shí)時(shí)采集其無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)的位置、速度、按鍵、越位、故障保護(hù)等信號(hào)，并聯(lián)合工控機(jī)對(duì)無(wú)人機(jī)地面仿真系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制。
文檔編號(hào)G05B17/00GK201166793SQ200720173119
公開(kāi)日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2007年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月13日
發(fā)明者段海濱, 王道波, 陳宗基 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)