微小型无人机全姿态增稳控制系统的设计与实现

O 引言
    随着国内外反恐形势的日趋严峻和各类突发事件的频繁发生，对武警部队能否在各种复杂、危险的环境下，快速有效地完成任务，提出了更高的要求。传统的侦察手段已经不能满足形势的需求，如重大自然灾害，导致救援工作无法展开；反恐或协助抓捕时不能有效地跟踪嫌疑人等。无人侦察机的出现给执勤人员带来了方便，但在侦察过程中无人机自身产生的振动会使图像拍摄出现抖动，因此很大程度上影响到指挥员的正确决策。传统的自驾仪采用惯性测量单元获得飞机的姿态信息，包括角速度计(陀螺)和加速度计。陀螺用来测量飞机的姿态角和角速度；加速度计用来测一般重力加速度下两个水平方向的投影，通过三角关系可以换算出飞行器当前的姿态，也就是俯仰角和滚转角。但是，利用加速度计测量的姿态信息十分容易受到飞行器振动和机动飞行时自身加速度的干扰，测量精度误差一般比较大，稳定性差，使侦察效果受到影响。为解决无人机飞行平稳性，研究了一款由三轴陀螺和倾角传感器构成的全姿态增稳控制系统，用以改进无人机在执行任务时的稳定性。

l 系统特点
    由陀螺和倾角传感器构成全姿态增稳控制回路。陀螺测量得到的角速度信息用作增稳反馈控制，使飞机操纵起来变的更“迟钝”一些，从而利用倾角传感器测得飞机横滚角和俯仰角。然后将陀螺测得的角速率信息和倾角传感器测得的姿态角进行捷联运算，得到融合后的姿态信息。这种较为复杂的捷联算法可使姿态精度得到很大提高。

2 姿态增稳控制律硬件设计
    无人机姿态增稳控制属于内回路控制，它包括姿态保持与控制、速度控制等模式。内回路控制是在以三轴陀螺和倾角传感器获取无人机飞行姿态的基础上，通过对升降舵、方向舵的控制，完成飞行姿态的稳定与控制。内回路控制作为飞行控制的核心回路，也是飞行高度、航迹等外回路控制的基础。外回路控制是以GPS的位置、航向信号、高度传感器的气压高度信号为基准的，它通过导航控制方法计算出飞行器的预定航线和实际航线。
    无人机内回路控制作为外回路控制的基础，对其能否稳定飞行起着至关重要的作用。该系统中，内回路是由三轴陀螺和倾角传感器构成的姿态增稳控制回路。主要由主控制单片机、A／D采样芯片、三轴陀螺仪和倾角传感器组成。主控制单片机通过SPI串行总线与A／D采样芯片相连，通过A／D采样芯片获得三轴陀螺仪的角速率与倾角传感器的横滚角和俯仰角，然后进行姿态信息融合，得到无人机俯仰和横滚的姿态信息。主要接口连接情况如图1所示。

    图l中，AD7888是一款高速率、低功耗的12位模拟数字转换器，能达到125 KSPS的传输速率，拥有8路模拟输入通道。为片选引脚，该引脚有两个作用，即启动AD7888转换器和制定串行数据的转移，与单片机引脚PB0()相连。SCLK为串行时钟输入引脚，通过外接单片机ATmegal28引脚PBl(SCK)提供串行时钟信号。DIN为逻辑数据输入端，DOUT为逻辑数据输出端，分别与ATmegal28的引脚PB2(MOSI)和PB3(MISO)相连。
    外部基准电压的范围是Vref～VDD(Vref=1．2 V)。为了获得稳定的基准电压，采用由TL431组成基准电压电路。德州仪器公司(TI)生产的TL431是一个有良好热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用电阻R2和R3就可以设置到从Vref=2．5 V到Vref=36 V范围内的任何值。
    单片机ATmegal28与AD7888通过串行通信接口SPI相连，分别配置为主机和从机。SPI总线允许ATmegal28与外设之间进行高速的同步数据传输。
    三轴陀螺主要用来测量无人机在飞行过程中俯仰角、横滚角和偏航角的角速度，并根据角速度积分计算角度的改变。该系统中采用日本松下公司的EWTS82(以下简称S82)，其原理是将旋转时音叉震荡产生的地球偏转力(克里奥利力)转换为电信号。该三轴陀螺由传感器件、音叉驱动电路和信号处理电路构成。此款陀螺为一模拟器件，具有+80～-80(°)／s的测量范围，单电源(+5 V DC)供电，对零点漂移抑制较好等优点。另外，其低廉的价格可大大降低开发成本。
    倾角传感器采用芬兰VTI Technologies公司生产的高精度双轴倾角传感器SCAl00T，该传感器的体积小，重量轻。其内部包含了一个硅敏感电容传感器和一个ASIC专用集成电路，既具有内部温度测量及补偿功能，又具备自检测功能，单轴最大输出范围约为-40～+40 ℃，有效输出范围为-30～+30 ℃。当采样频率为8 Hz及以下时，可获得0．002°的输出分辨率。串行外围接口SPI的输出频率为500 kHz，通过传感器元件控制频率响应，能够承受大于20 000g的机械振动。它具有的主要特点是：x，y双轴高分辨率双向测量，单电源(+5 V DC)供电，工作电流小(3 mA)，噪声低，工作温度范围宽(-40～+125 ℃)等。

3 姿态增稳控制软件设计
    整个飞控系统的输入量即为传感器所采集的飞行状态值，输出量为飞机状态方程的控制变量(舵值和发动机推力)，所以飞控系统实质上是一个多通道的控制系统，即多输入／多输出控制系统。其中，飞控系统的核心控制回路是以姿态角(俯仰角／滚转角的)反馈信号为基础构成的飞行姿态稳定和控制回路，即内回路。
    在内回路的基础上，又引入高度保持、航迹控制等外回路。
    在飞控系统的姿态增稳控制回路中三轴陀螺实时反馈飞机的俯仰、横滚和偏航的角速率。另外，将三轴陀螺的俯仰角速率和横滚角速率分别与倾角传感器测得的俯仰角和横滚角进行姿态捷联解算。主控单片机利用定时／计数器O的定时中断，间隔30 ms循环进行内环的姿态控制，控制流程如图2所示。由于飞机沿纵向平面的对称性，无人机飞行控制可以分为相对独立的纵向控制和横侧向控制通道。

    (1)横侧向控制通道：无人机的横侧向运动即无人机的滚转和偏航运动，主要通过副翼通道来实现。在横侧向控制通道中有滚转角反馈和滚转角速率反馈，这两项构成了滚转通道的核心回路——内回路。另外，航向偏差反馈只有在无人机作定向直飞、航向跟踪或者自主导航时才需要接人，以稳定控制无人机的飞行航向；侧偏距反馈仅当无人机进入自主导航时才需要接入，以控制无人机跟踪预先设置的飞行航线；误差积分反馈仅仅当无人机做定向直飞时才接入，以消除无人机左右不对称性等因素的影响，改善无人机航向控制的精度以及左右转弯的对称性。
    (2)纵向控制通道：无人机的纵向运动即指无人机的俯仰及升降运动。无人机的纵向运动规律是通过操纵无人机的升降舵来实现的。在纵向控制通道中有俯仰角反馈和俯仰角速率反馈，这两项构成了纵向通道的核心控制回路——内回路。另外，还有高度差反馈，只有在无人机做定高飞行时才需要接入，以稳定无人机的飞行高度。纵向控制俯仰角通道的框图如图3所示。

    通常可以把无人机飞行过程划分为几个相对独立的航段。一个最基本的自主飞行工程可以划分为6个航段：起飞阶段、出航平飞阶段、转弯阶段、返航平飞阶段、盘旋阶段和着陆阶段。每个航段的任务相对独立，把各航段的复杂飞行状态分解为几个基本的飞行任务：平飞、转弯、升降等。这样通过相对独立的纵向控制通道和横侧向控制通道来协调实现无人机的平飞、转弯、升降等基本飞行任务。

4 结语
    在无人机中，飞控系统是主要组成部分，而姿态增稳控制则是对无人机顺利执行各项任务的有效方法。本文以实际应用为背景，详细介绍了基于三轴陀螺和倾角传感器构成全姿态增稳控制系统的硬件实现及软件设计，并将其运用在某型无人机中，针对系统中飞行姿态控制的的流程和内环姿态控制的规律进行了详细的分析与研究。经过百余次试飞，基于三轴陀螺和倾角传感器构成的姿态增稳控制系统，不仅满足了现阶段任务要求，还达到了良好的效果，为同类无人机的开发与研制提供了一套行之有效的方法。