基于VC++的模拟舵机系统设计

摘要：在无人机半物理仿真实验中，为了节约实验成本，提出用模拟舵机系统代替真实舵机的方法。基于VC++设计了模拟舵机系统。在半物理仿真系统中连入模拟舵机，并用该系统模拟副翼、升降舵、油门的舵机。通过实验验证了该模拟舵机系统的有效性。实验结果表明，该模拟舵机系统具有实时性好，可模拟多种舵机的特点。
关键词：模拟舵机；多媒体定时器；PCL-836；PCL-812；PCL-726

0 引言
    无人机飞行控制仿真主要包括数字仿真和半物理仿真。半物理仿真将系统部分实物引入仿真回路，尽可能真实模拟现场情况，比数字仿真更能有效验证飞行控制系统的可靠性，尤其在其在初期试飞调参以及后期控制策略改进阶段应用广泛。
    做无人机的半物理仿真时，需要使用真实舵机，而舵机价格比较昂贵，且多次实验时存在损坏的风险，无形中增加了实验成本。本文根据舵机在飞行控制系统中的作用及特点，基于VC++设计模拟舵机；该模拟舵机由综合记录计算机和若干板卡构成，运行于综合记录计算机中；代替实现真实舵机的功能，节约了实验成本。

1 模拟舵机硬件设计
    模拟舵机系统，首先要能模拟舵机在半物理仿真中的功能；其次要不影响半物理仿真接入真实舵机。这个是通过PCLD-785B(继电器输出板)来选择的，当DO不输出任何值时，Ci和NCi是导通的，当DO输出时，Ci和NOi导通(i=0，1，2，…，9)。
    系统硬件设计如图1所示，为了简洁，省去PCL-880接线板。

    图1中的PCLD-782B是光电隔离板，为了隔离PCLD-785B带来的噪声和提高电压(飞控盒输出电压是3．3 V，提高到TTL电平)。而PCL-836(频率采集卡)和PCL-726(D／A输出卡)，PCL-812(A／D采集卡)和位于综合记录计算机内，在VC++中的操作方法如图2所示。

2 舵机函数关系的输入
    为了仿真多种舵机的需要，舵机函数关系应该可调；同时系统要满足自动获取接在图1仿真舵机上舵机的舵机函数。系统用PCL-836发出PWM波，PCL-726采集反馈电压。程序界面如图3所示。

    图中k，b为V=kT+b中的系数，V代表反馈电压，T代表脉宽(单位：ms)。

3 模拟舵机软件设计
3．1 PWM波采集方法
    对PWM的采集是程序的难点，这里使用PCL-836的事件计数功能来实现对PWM的测量。PCL-836共有6路计数器，其中CLK5用来产生时钟信号。在PWM的下降沿时去读计数器的值，然后根据时钟的频率算出PWM高电平的时间。检测PWM下降沿的常见的方法是使用中断和查询。在PWM每次下降沿时触发中断，在中断程序里去读计数器的值。但是PCL-836只支持一个外接中断，并且是上升沿触发中断，而整个仿真需要4个舵机，在目前的硬件条件下并不能直接实现，需要一定的辅助电路，如非门等。其次用查询的方法，用一个线程来读DI，在下降沿时去读计数器的值。但这样CPU的占用很高，影响系统的整体性能。所以不使用查询和中断的方法。为了能够检测PWM下降沿，并考虑现实性，决定用1 ms定时器来实现。如果上次读到高定平，而这次读到低电平，就认为是下降沿。虽然有不定的延迟，但是延迟小于1 ms，同时可以得到正确的值，而且系统占用要远远低于查询方法。
3．2 使用多媒体定时器采集PWM波
    微软提供了精确定时器的底层API，支持能够提供高精度的定时器服务，利用多媒体定时器可以精确地读出系统的当前时间，并在很精确的时间间隔内处理事件，可以到1 ms的精度。多媒体定时器的回调函数的程序流程图如图4所示。

    用多媒体定时器采集PWM的方法带来的不定延迟，加上Windows系统的实时性差带来的延迟，使得模拟舵机系统实时性变差。但是飞控盒发出的PWM波几乎是同时发出，即上升沿在时间上是一致的。所以可以用中断加查询的方法来检测，用一路PWM做中断源，每次中断的时候去查询，最终检测到下降沿。
3．3 中断加查询采集PWM波
    PCL-836支持一路外部中断，上升沿触发。首先使用DRV_EnableEvent函数使能中断，开始中断线程，在中断线程里用DRV_CheckEvent函数检测中断。中断线程流程图如图5所示。

    使用中断加查询的方法采集PWM，实时性比较好，系统占用高于定时器方法，但是低于查询方法。

4 仿真分析
    在半物理仿真系统中连人该模拟舵机，系统模拟副翼、升降舵、油门三个舵机。使用该系统采集飞控盒发出的PWM，并反馈电压给模型机。经仿真采集到各舵机的PWM曲线如图6～图8，可知该系统实现具有实时性好，可模拟多种舵机的特点。

5 结语
    本文基于VC++设计的模拟舵机系统，实现了无人机飞行控制半物理仿真中真实舵机的功能，一定程度上降低了实验成本。该系统功能全面，设计灵活，可实现多种类型舵机，是一种行之有效的仿真方法。