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中 北 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
學(xué) 院、系：
信息與通信工程學(xué)院、電氣工程系
專 業(yè)：
電氣工程及其自動(dòng)化
學(xué) 生 姓 名：
學(xué)號(hào)：
論 文 題 目：
四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)
起 迄 日 期:
2013年月日 ～2013 年月日
指 導(dǎo) 教 師:
系 主 任:
發(fā)任務(wù)書日期: 2013 年 月 日
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書
1．畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的任務(wù)和要求：
任務(wù):根據(jù)四旋翼飛行器具有重量輕、體積小、功耗低、性價(jià)比高的特點(diǎn)，提出了一種數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。飛行控制器是四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀的基本組成部件。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于高性能單片機(jī)為核心的飛行控制器。
要求：1.對四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，提出飛行控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)；
2.完成四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀的核心組成部分——飛行控制器的設(shè)計(jì)，研究飛行控制系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)各部分工作電路；
3.做出相關(guān)電氣設(shè)計(jì)圖。
2．畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的具體工作內(nèi)容（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：
四旋翼飛行器在軍事和商業(yè)領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值，飛行控制計(jì)算機(jī)是四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀的核心組成部分。采用模塊化設(shè)計(jì)思想完成飛行控制器電路的設(shè)計(jì)。要求：
(1)根據(jù)四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)的需求，提出一種數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。
(2)根據(jù)飛行控制器的工作原理完成傳感器、處理器和執(zhí)行器系統(tǒng)硬件的選型，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)各部分工作電路。
(3)做出相關(guān)電氣設(shè)計(jì)圖。
(4)外文翻譯不少于3000字。
(5)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書
3．對畢業(yè)設(shè)計(jì)課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計(jì)、圖紙、實(shí)物樣品等〕：
1.畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書字?jǐn)?shù)不少于1.5-2萬字（含設(shè)計(jì)分析與計(jì)算﹑實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理﹑程序等）。
2.參考文獻(xiàn)不少于15篇。
3.設(shè)計(jì)結(jié)果應(yīng)提交畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書，并相應(yīng)的做出該設(shè)計(jì)的電氣原理圖和相對應(yīng)的軟件程序。
4．畢業(yè)設(shè)計(jì)課題工作進(jìn)度計(jì)劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
2013年
2月23日-3月20日
3月21日-4 月25日
4月26日-5 月15日
5月16日-6 月10日
6月15日-6 月25日
收集資料，熟悉設(shè)計(jì)工作
完成主體設(shè)計(jì)工作
寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
設(shè)計(jì)說明書交指導(dǎo)教師批改，學(xué)生修改畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯
學(xué)生所在系審查意見：
系主任：
年 月 日
中 北 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
學(xué) 生 姓 名：
學(xué) 號(hào)：
學(xué) 院、系：
信息與通信工程學(xué)院、電氣工程系
專 業(yè)：
電氣工程及其自動(dòng)化
設(shè) 計(jì) 題 目：
四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師:
2013 年 3 月 日
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：
文 獻(xiàn) 綜 述
1 本課題的選題背景意義
四旋翼飛行器設(shè)計(jì)任務(wù)的到來，為研究和設(shè)計(jì)超小型飛行器創(chuàng)造了條件。當(dāng)前，四旋翼飛行器的研究還處在初級(jí)發(fā)展階段。隨著微米納米科技的迅猛發(fā)展和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的蓬勃興起，可以看到，四旋翼飛行器可能會(huì)走向?qū)嵱没?，急需解決的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)還很多，有些問題甚至在較長一段時(shí)間內(nèi)都可能難以解決，只有用現(xiàn)有的技術(shù)盡最大可能地解決現(xiàn)有的問題，我們才能不斷地走在科技發(fā)展的前列。四旋翼飛行器的研制是一項(xiàng)包含了多種交叉學(xué)科的高、精、尖技術(shù)，其研究水平在一定程度上可以反映一個(gè)國家在微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)力。它的研制不僅是對其自身問題的解決，更重要的是，還能對其它許多相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。 四旋翼飛行器的研究領(lǐng)域十分廣闊，并且隨著研究的不斷深入，其研究范疇還在繼續(xù)擴(kuò)大。本課題不可能將所有問題都包含其中，而只能就其中的部分技術(shù)問題開展一些探索性研究工作[1][2]。
自動(dòng)駕駛儀原意是用自動(dòng)器取代駕駛員，但是，一直到現(xiàn)在，作為自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)基本組成部分的自動(dòng)駕駛儀實(shí)際上并無法完全取代駕駛員的職能，只有最完善的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)才能真正取代駕駛員，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)飛行[3]。自動(dòng)駕駛儀的基本功能可以列舉如下：
（1） 自動(dòng)保持三軸穩(wěn)定，具體地說，即自動(dòng)保持偏航角和俯仰角與某一希望角度，滾轉(zhuǎn)角保持為零進(jìn)行直線飛行。
（2） 駕駛員可以通過旋鈕或者其他控制器給定任意航向或俯仰角，使飛機(jī)自動(dòng)改變航向并穩(wěn)定于該航向，或使飛機(jī)上仰并保持給定俯仰角。
（3） 自動(dòng)保持飛機(jī)進(jìn)行高度飛行。
（4） 駕駛員通過控制器操縱飛機(jī)自動(dòng)爬高或俯沖，達(dá)到某一預(yù)定高度，然后保持這個(gè)高度[4]。
2 本課題的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀
（一）國外的研究成果
UVA，即沒有出現(xiàn)在機(jī)飛行員的飛行器。它包括：旋翼式飛機(jī)、直升機(jī)、軟式小型飛船以及其他飛行器。相對于有人駕駛的系統(tǒng)而言，UAV具有很多優(yōu)勢（例如機(jī)動(dòng)性，即瞬時(shí)改變姿態(tài)的能力），近些年來在控制和商業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)生了相當(dāng)客觀的利潤[5]。UVA的有事包括搜尋和營救、監(jiān)視、遠(yuǎn)程檢查、以及使飛行員免于危險(xiǎn)條件下飛行的軍事應(yīng)用等。主要應(yīng)用有：難以接近或很難到達(dá)的工作環(huán)境（例如星際飛行）；危險(xiǎn)的工作環(huán)境（例如戰(zhàn)爭中）；飛行單調(diào)的工作環(huán)境；飛行時(shí)間長的工作環(huán)境（大氣觀測，數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊龋患皶r(shí)是熟練的飛行員也不能勝任的飛行條件（例如，電影特技，飛行器的試驗(yàn)飛行等等）[6][7]。
人類的進(jìn)步與創(chuàng)造性的幻想是分不開的。十八世紀(jì)后期，氣球出乎意料地把人輕而易舉地送到空中，開創(chuàng)了人類飛行實(shí)驗(yàn)的新紀(jì)元，并為后來飛機(jī)的上天開辟了道路。1903年，美國萊特兄弟成功研制出世界上第一架能載人飛行的動(dòng)力飛機(jī)，從而真正揭開了人類近代航空發(fā)展史的序幕[8]。人類對四旋翼飛行器的夢想和渴望由來己久，但受到理論認(rèn)識(shí)和科技發(fā)展速度制約，四旋翼飛行器在很長一段時(shí)間里并未得到足夠的重視和發(fā)展。
四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)最早可以追溯到1907年，在Richet教授的指導(dǎo)下，Breguet兄弟Louis和Jacque制造了第一架旋翼式飛行器，Breguet-Richet四旋翼飛行器的框架是由四個(gè)長長的焊接鋼管支架組成，并按水平十字交叉形式分布，處于對角線位置的旋翼，其中一對按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，而另一對按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)[9]。據(jù)說該四旋翼飛行器已經(jīng)飛了起來，并且攜帶飛行員飛到了1.5m的高度，但飛行時(shí)間很短。然而這次飛行中沒有用到任何的控制，可想而知，四旋翼飛行器的這次飛行的穩(wěn)定性是很差的[10]。
過萊特兄弟研制的第一架動(dòng)力飛機(jī)試飛陳功。此后，飛行器在科學(xué)和民用領(lǐng)域得到了人們廣泛的認(rèn)可，并最終成為了運(yùn)輸、娛樂和戰(zhàn)爭的可行性選擇[11]。自從那時(shí)起，技術(shù)上已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，并且開發(fā)的飛行器種類也越來越多。除了飛機(jī)，20世紀(jì)初期也已經(jīng)制造出了直升機(jī)[12]。
旋翼式直升機(jī)中有一種叫做Ouadrotor的垂直起降機(jī)，也就是本人提到的四旋翼直升機(jī)。Ouadrotor這一概念很久以前就已經(jīng)提出了[13]。
20世紀(jì)初，法國科學(xué)家和學(xué)者Charles Richet制造了一個(gè)非常小的、沒有駕駛員的旋翼式直升機(jī)。盡管該旋翼式直升機(jī)的飛行試驗(yàn)沒有成功，但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)使得Richet的一個(gè)學(xué)生Louis Breguet獲得了靈感，并且不久之后成為了著名的航空學(xué)先驅(qū)。1906年的下半年，在Richet 教授的指導(dǎo)下，Breguet兄弟來自于著名的Breguet鐘表制造世家，并且具有豐富的工作原理知識(shí)和足夠進(jìn)行一系列設(shè)計(jì)工作的資金[14]。1907年，Breguet 兄弟制造了他們的第一架旋翼式直升機(jī)，即Breguet-Richet “旋翼機(jī)1號(hào)”。Breguet-Richet四旋翼直升機(jī)的框架是由四個(gè)常常的焊接鋼管支架組成，并按照水平十字交叉形式分布，看起來有點(diǎn)像幾個(gè)梯子裝配在一起。1907年8月和9月間，“旋翼機(jī)1號(hào)”在法國北方小鎮(zhèn)杜埃進(jìn)行了第一次飛行試驗(yàn)。據(jù)說該四旋翼直升機(jī)已經(jīng)飛了起來，并且攜帶飛行員飛到了1.5米的高度，但飛行時(shí)間很短[15]。然而這次飛行中沒有用到任何控制，可想而知，四旋翼直升機(jī)的這次飛行處女秀的穩(wěn)定性是很差的。
George De Bothezat在美國俄亥俄州西南部城市代頓的美國空軍部建造了另一架大型的四旋翼直升機(jī)[16]。直升機(jī)四個(gè)螺旋槳的直徑每個(gè)都是26英尺，并且全部的四個(gè)螺旋槳都是由一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的。雖然De Bothezat四旋翼直升機(jī)先后進(jìn)行了100多次飛行試驗(yàn)，但是仍然無法很好的控制其飛行，并且沒有達(dá)到?jīng)]過空軍標(biāo)準(zhǔn)。
20世紀(jì)30年代，出現(xiàn)了一種叫做Oemichen的四旋翼直升機(jī)，該直升機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了1km的垂直飛行[17]。
緊接著Convertawings在紐約的Amitycille又制造了一架四旋翼直升機(jī)。該飛行器的螺旋槳在直徑上超過了19英尺，并通過機(jī)翼產(chǎn)生向前的飛行的升力。該四旋翼直升機(jī)在設(shè)計(jì)中用了兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，并且通過改變每個(gè)螺旋槳提供的推力來控制飛行器。雖然Convertawings四旋翼直升機(jī)飛行很成功，但遺憾的是由于缺乏對于這種飛行器的興趣，導(dǎo)致了工程設(shè)計(jì)人員研究的停止[18][19]。
在此之后的數(shù)十年中，四旋翼直升機(jī)沒有什么大的進(jìn)展。然而，近幾十年來，四旋翼直升機(jī)又引起人們極大的興趣，很多學(xué)術(shù)論文不斷發(fā)表。結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化，動(dòng)力學(xué)特性上進(jìn)行了深入研究，尤其是傳感器也進(jìn)行了大膽的嘗試，控制方法上更是不斷嘗試新方法。這些資料可以增進(jìn)研究和愛好者對四旋翼的了解和認(rèn)識(shí)[20][21]。
（二）國內(nèi)的研究成果
近幾十年來，四旋翼直升機(jī)又引起人們極大的興趣，很多學(xué)術(shù)論文不斷發(fā)表[22]。結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化，動(dòng)力學(xué)特性上進(jìn)行了深入研究，尤其是傳感器也進(jìn)行了大膽的嘗試，控制方法上更是不斷嘗試新方法[23] 。
雖然國際上針對四旋翼飛行器已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)廣泛和深入的研究，但在國內(nèi)，目前這一方面的研究成果還很少。
3 本設(shè)計(jì)完成的主要工作
飛行控制計(jì)算機(jī)是自動(dòng)駕駛儀的核心組成部分，也是實(shí)現(xiàn)技術(shù)的主要內(nèi)容。
1.首先應(yīng)該進(jìn)行系統(tǒng)的硬件選型，然后重點(diǎn)研究自動(dòng)駕駛儀的設(shè)計(jì)思路和系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)各部分工作電路[24][25]。
2.對自動(dòng)駕駛儀控制系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，并且提出總體結(jié)構(gòu)。
3.簡單分析自動(dòng)駕駛儀的結(jié)構(gòu)形式，重點(diǎn)分析其工作原理。
參考文獻(xiàn):
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告
２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
1 本課題要解決的問題
1.1如何對自動(dòng)駕駛儀控制系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，提出飛行控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)；
1.2把小擾動(dòng)線性化的數(shù)學(xué)模型作為四旋翼飛行器控制對象，進(jìn)行控制率設(shè)計(jì)；研究途徑?jīng)]有針對性寫
1.3如何對系統(tǒng)硬件進(jìn)行特性選型和分析；
1.4仿真參數(shù)的設(shè)置、仿真調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題（數(shù)據(jù)類型的匹配問題等）如何解決。研究途徑?jīng)]有針對性寫，需要補(bǔ)充
2本課題擬采用的研究途徑
2.1 飛行控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
根據(jù)四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)需求，采用如圖所示的數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。
這是什么圖，需要加標(biāo)注
圖1 飛行控制系統(tǒng)模塊框圖
圖中虛線以上部分是空中機(jī)載平臺(tái)，其核心是基于 C8051F020 的飛行控制計(jì)算機(jī)。機(jī)載平臺(tái)還包括一些非常重要的傳感器。
機(jī)載平臺(tái)和地面控制站之間通過無線接受發(fā)送器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，地面控制站主要負(fù)責(zé)飛行監(jiān)控和飛行任務(wù)的制定，而機(jī)載平臺(tái)負(fù)責(zé)導(dǎo)航和飛行控制。地面控制站接收機(jī)載平臺(tái)的飛行信號(hào)，以便飛行控制人員監(jiān)控自主飛行，調(diào)整控制策略或者在必要的時(shí)候?qū)⒆詣?dòng)飛行切換到手動(dòng)，由飛行員通過遙控器來控制飛行器的飛行。另外，地面上還提供一個(gè)DGPS基準(zhǔn)站，配合機(jī)載平臺(tái)上的DGPS一起工作，以提供更加精確的測量結(jié)果。
2.2 系統(tǒng)硬件的選型和特性分析
1. 處理器 鑒于飛行控制系統(tǒng)需求，特別是為了達(dá)到其控制性能要求的情況下，滿足重量輕、體積小、功耗低和成本低要求，處理器考慮在集成度高的高性能單片機(jī)中選擇。C8051F020 芯片幾乎無需增加額外芯片就能滿足要求。
2. 傳感器 為了測量四旋翼飛行器的 3 軸角速度和 3 軸線加速度信息，系統(tǒng)選用航天長城科技有限公司的 MIN-IVA900 慣性測量單元模塊。由于慣性測量單元的誤差隨時(shí)間積累，單獨(dú)提供飛行器的姿態(tài)信息不能滿足系統(tǒng)的自主飛行控制要求，因此需要使用三軸磁航向計(jì)對慣性測量單元的航向姿態(tài)信息進(jìn)行修正。系統(tǒng)選用霍尼韋爾公司的三軸智能數(shù)字磁航向計(jì) HMK2300來檢測磁場的強(qiáng)度和方向，通過 RS-232 或者 RS-485 協(xié)議與外界通訊。系統(tǒng)選用 DGPS 來確定四旋翼飛行器的位置。
3. 執(zhí)行器 由于四旋翼飛行器要求成本低、重量輕，系統(tǒng)選用 A2915 外傳子無刷直流電機(jī)。A2915 無刷直流電機(jī)工作電壓為 7.2-16.8VDC，電流為 3-35A功效為 90％，重量僅為 154g，通過改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間和通電周期的比值(即占空比)來改變平均電壓的大小，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
2.3 自動(dòng)駕駛儀配置
1. 根據(jù)四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)的需求和系統(tǒng)硬件的選型，自動(dòng)駕駛儀采用如下配備方案：
(1)提供足夠的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。
(2)提供 4 個(gè) RS-232 標(biāo)準(zhǔn)的串行通信口，1 個(gè) I/O 口，分別分配給慣性測
量單元模塊、磁航向計(jì)、DGPS、數(shù)字電臺(tái)和高度計(jì)。
(3)提供 4 路控制電機(jī)的高精度 PWM 控制信號(hào)。
(4)提供 4 個(gè) I/O 口，用來采樣 4 個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)。
2.自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)
根據(jù)飛行控制計(jì)算機(jī)的配置和 C8051F020 的特性，設(shè)計(jì)飛行控制計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)如圖所示。
這是什么圖，需要加標(biāo)注，并簡短說明該圖是干什么的
圖2 飛行控制計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)
基于四旋翼飛行器體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)，挑選材料時(shí)，盡可能選用貼片封裝的電阻、電容及元器件，使整機(jī)重量減輕，盡可能選用低功耗的CMOS 元器件，使整機(jī)功耗降低?？紤]到控制程序可能用到大量數(shù)據(jù)，需要較大的內(nèi)存空間，因此采用靜態(tài) RAM 芯片 IS62C256 在 C8051F020 片外擴(kuò)展了 32KBSRAM。
2.4 控制率的設(shè)計(jì)
四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖中包括 6 個(gè)控制回路，設(shè)計(jì)的控制律簡要總結(jié)如下：
(1)俯仰(滾轉(zhuǎn))姿態(tài)控制回路，采用參數(shù)最優(yōu)法整定的比例積分控制。
(2)偏航角控制回路，采用比例分離法整定的比例積分控制。
(3)前向(側(cè)向)位置控制回路，使用湊試法整定的比例積分控制。俯仰(滾
轉(zhuǎn))姿態(tài)控制回路作為內(nèi)回路設(shè)計(jì)，前向(側(cè)向)位置控制回路作為外回路進(jìn)行設(shè)
計(jì)。
(4)高度控制回路，使用湊試法整定的比例控制。
由于引入四個(gè)控制量，因此四旋翼飛行器的俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航和高度運(yùn)動(dòng)可分別通過四個(gè)控制輸入量來獨(dú)立實(shí)施控制。小擾動(dòng)線性化的數(shù)學(xué)模型，作為四旋翼飛行器控制對象進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，姿態(tài)控制作為內(nèi)回路，位置控制作為外回路，采用經(jīng)典的比例積分微分控制方法，設(shè)計(jì)了姿態(tài)控制律和位置控制律，進(jìn)行了數(shù)字仿真。
2.5 數(shù)字仿真
（1）俯仰(滾轉(zhuǎn))姿態(tài)控制
對于俯仰(滾轉(zhuǎn))姿態(tài)回路，采用比例積分控制，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)誤差為零，并且系統(tǒng)響應(yīng)速度快，趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)的速度很快，系統(tǒng)性能得到有效地改善。
（2）偏航姿態(tài)控制
偏航姿態(tài)回路在沒有控制的情況下，系統(tǒng)隨著時(shí)間的增加，偏航角線性增長，動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都很差。對于偏航姿態(tài)回路，采用比例分離法，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)誤差為零，并且響應(yīng)速度較快，系統(tǒng)性能得到有效地改善。
（3）前向(側(cè)向)位置控制
前向(側(cè)向)位置回路在沒有控制的情況下，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能較差，穩(wěn)態(tài)誤差較大。由于俯仰(滾轉(zhuǎn))姿態(tài)內(nèi)回路中的比例積分控制抵消了位置控制回路中的積分環(huán)節(jié)，為使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零，位置控制系統(tǒng)的外回路仍采用比例積分控制設(shè)計(jì)方案，能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)誤差為零，系統(tǒng)性能得到有效地改善，但是系統(tǒng)趨于穩(wěn)態(tài)時(shí)的速度一般。
（4）高度控制
高度回路在沒有控制的情況下，系統(tǒng)隨著時(shí)間的增加，高度線性增長，動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都很差?？紤]采用簡單的比例控制對高度回路進(jìn)行控制，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。
畢 業(yè) 論 文 開 題 報(bào) 告
指導(dǎo)教師意見：
1．對“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語：
該設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)綜述詳細(xì)闡述了本課題的選題背景、自四旋翼飛行器的發(fā)展和國內(nèi)外現(xiàn)狀。有關(guān)論文各方面的工作基本能滿足老師的要求，同時(shí)整體進(jìn)程也比較符合學(xué)校對于畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間安排。
2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計(jì)結(jié)果的預(yù)測：
飛行控制計(jì)算機(jī)是四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀的基本組成部件。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于C8051F020 高性能單片機(jī)為核心的飛行控制計(jì)算機(jī)。該設(shè)計(jì)需要熟悉和掌握C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、自動(dòng)控制原理、電機(jī)學(xué)、現(xiàn)代控制理論等基礎(chǔ)知識(shí)的運(yùn)用。
本畢業(yè)設(shè)計(jì)具有一定的深度和廣度，工作量也適中。學(xué)生理解較為透徹，準(zhǔn)備比較充分，基本知識(shí)點(diǎn)還算掌握牢固；工作態(tài)度認(rèn)真，能夠按時(shí)完成老師交待的工作任務(wù)，并且根據(jù)自己的理解提出解決問題的思路，辦法。預(yù)計(jì)能夠按時(shí)完成本畢業(yè)設(shè)計(jì)。
同意開題。
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在系審查意見：
系主任：
年 月 日
中 北 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書評(píng)語
學(xué)院： 信息與通信工程 專業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化
姓名： 學(xué) 號(hào)：
題目： 四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師評(píng)語：
段鵬敏同學(xué)較好的完成了任務(wù)書所要求的任務(wù)，設(shè)計(jì)一種重量輕、體積小、功耗低、性價(jià)比高的四旋翼飛行器，因此設(shè)計(jì)的研究在應(yīng)用上有一定的創(chuàng)新點(diǎn)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間態(tài)度端正、積極上進(jìn)，勇于提出問題，有鉆研精神。
該同學(xué)在本設(shè)計(jì)中詳細(xì)的說明了各種設(shè)備選擇的最基本的要求和原則依據(jù)。課題任務(wù)是設(shè)計(jì)研究的四旋翼飛行器對象尚處于原理階段，在重量、體積、微小型慣性導(dǎo)航器件、無線通信、飛行控制系統(tǒng)等方面都還需要做進(jìn)一步研究
設(shè)計(jì)說明書綜述較為完整，理論基本正確，結(jié)構(gòu)較為嚴(yán)謹(jǐn)合理，文理較通順，技術(shù)用語基本準(zhǔn)確，圖標(biāo)完備，符合規(guī)范。
同意該同學(xué)參加學(xué)士畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。
建議成績：
指導(dǎo)教師(簽字)： 年 月 日
中 北 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書評(píng)語
學(xué)院： 信息與通信工程 專業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化
姓名： 學(xué) 號(hào)：
題目： 四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)
評(píng)閱人評(píng)語：
由設(shè)計(jì)說明書可知，段鵬敏同學(xué)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)定的任務(wù)，設(shè)計(jì)了四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛各部分電氣圖。
該設(shè)計(jì)是一種重量輕、體積小、功耗低、性價(jià)比高的四旋翼飛行器，具有一定的創(chuàng)新性，選題也有一定的實(shí)際意義。所完成的設(shè)計(jì)基本原理正確，說明書對總體設(shè)計(jì)及各模塊的描述比較詳細(xì)。
設(shè)計(jì)是針對四旋翼飛行器作了一些基礎(chǔ)性的研究工作，四旋翼飛行器的后續(xù)工作還有較長的路要走。。
該同學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書文理較為通順，內(nèi)容較為具體，條理較為清晰，圖標(biāo)基本完備，格式規(guī)范。
同意段鵬敏同學(xué)參加學(xué)士論文答辯。
建議成績：
評(píng)閱人(簽字)： 年 月 日
綜合成績：
中 北 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書評(píng)語
學(xué)院： 信息與通信工程 專業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化
姓名： 學(xué) 號(hào)：
題目： 四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)
答辯委員會(huì)評(píng)語：
建議成績：
答辯委員會(huì)主席(簽字)： 年 月 日
四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)
摘要：本畢業(yè)設(shè)計(jì)論文是四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)。全論文除了摘要、畢業(yè)設(shè)計(jì)書之外，還詳細(xì)的說明了各種設(shè)備選擇的最基本的要求和原則依據(jù)。根據(jù)四旋翼飛行器側(cè)重于重量輕、體積小、功耗低、性價(jià)比高的特點(diǎn)，提出了一種數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。飛行控制計(jì)算機(jī)是四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀的基本組成部件。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于C8051F020 高性能單片機(jī)為核心的飛行控制計(jì)算機(jī)。并且對四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，提出飛行控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。飛行控制計(jì)算機(jī)是四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀的核心組成部分，也是研制的主要內(nèi)容。為了便于控制，四旋翼飛行器采用對稱分布的結(jié)構(gòu)形式。本文分析了四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式及其工作原理。在密切聯(lián)系四旋翼飛行器工作原理和線性模型的基礎(chǔ)上，提出控制系統(tǒng)的控制策略以及實(shí)施方案，采用經(jīng)典的 PID 控制方法，設(shè)計(jì)了四旋翼飛行器在懸停狀態(tài)下姿態(tài)控制律和位置控制律。對數(shù)字仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了控制方案的可行性。在密切聯(lián)系四旋翼飛行器工作原理和線性模型的基礎(chǔ)上，提出控制系統(tǒng)的控制策略以及實(shí)施方案，設(shè)計(jì)四旋翼飛行器在懸停狀態(tài)下姿態(tài)控制律和位置控制律，對數(shù)字仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證控制方案的可行性。
關(guān)鍵詞：四旋翼，自動(dòng)駕駛儀，懸停，飛行控制
Four rotor aircraft autopilot design
Abstract: This graduation thesis is four rotor aircraft autopilot design. Full papers in addition to abstract, graduation design books, but also a detailed description of the various devices selected based on the basic requirements and principles. According to four rotor aircraft focused on light weight, small size, low power consumption, cost-effective features, we propose a digital flight control system's overall structure. Flight control computer is a four rotor aircraft autopilot basic component parts. Modular design concept, design and development of a performance-based C8051F020 microcontroller as the core of the flight control computer. And for four-rotor flight control system needs analysis, the overall structure of the flight control system. Flight control computer is a four rotor aircraft autopilot core component, but also developed the main content. In order to facilitate control, four-rotor aircraft using symmetrical structure. This paper analyzes the four rotor aircraft's structure and how it works. In close contact with four rotor aircraft operating principle and linear models based on the proposed control system control strategy and implementation plan, using classical PID control method designed four-rotor in hover attitude control law and position control law. Analyze the results of digital simulation to verify the feasibility of the control scheme. In close contact with four rotor aircraft operating principle and linear models based on the proposed control system control strategy and implementation plan, design four rotor aircraft in hover attitude control law and position control law, the digital simulation results were analyzed to verify control scheme is feasible.
Keywords: four rotors, autopilot, hover, flight control
第 53 頁 共 53 頁
目錄
1 緒論 1
1.1 本課題的選題背景意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1
1.3 課題的主要研究內(nèi)容 4
2 四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀 5
2.1 飛行控制系統(tǒng)需求分析 5
2.2 飛行控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 5
2.3 系統(tǒng)硬件的選型和特性分析 6
2.3.1 處理器 6
2.3.2 傳感器 8
2.3.3 執(zhí)行器 10
2.4 飛行控制計(jì)算機(jī)原理設(shè)計(jì) 10
2.4.1 飛行控制計(jì)算機(jī)配置 10
2.4.2 飛行控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì) 10
2.4.3 串口通訊擴(kuò)展電路 11
2.4.4 PWM 信號(hào)隔離電路 13
2.4.5 飛行控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中的問題及解決方法 14
2.4.6 電源設(shè)計(jì) 20
2.4.7 系統(tǒng)復(fù)位設(shè)計(jì) 22
2.4.8 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 22
2.4.9 飛行控制計(jì)算機(jī)的 PCB 設(shè)計(jì) 24
2.5 飛行控制計(jì)算機(jī)的調(diào)試和性能測試及評(píng)估 27
2.5.1 行控制計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)調(diào)試和功能測試 27
2.5.2 飛行控制計(jì)算機(jī)的性能測試 30
3 四旋翼飛行器控制規(guī)律 33
3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 33
3.2 懸停狀態(tài)下控制律設(shè)計(jì)與數(shù)字仿真 34
3.2.1 俯仰(滾轉(zhuǎn))姿態(tài)控制 34
3.2.2 偏航姿態(tài)控制 36
3.2.3 前向(側(cè)向)位置控制 39
3.2.4 高度控制 42
4 總結(jié)與工作展望 45
4.1 論文總結(jié) 45
4.2 工作展望 46
參考文獻(xiàn): 47
致謝 50
1 緒論
1.1 本課題的選題背景意義
四旋翼飛行器設(shè)計(jì)任務(wù)的到來，為研究和設(shè)計(jì)超小型飛行器創(chuàng)造了條件。當(dāng)前，四旋翼飛行器的研究還處在初級(jí)發(fā)展階段。隨著微米納米科技的迅猛發(fā)展和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的蓬勃興起，可以看到，四旋翼飛行器可能會(huì)走向?qū)嵱没?，急需解決的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)還很多，有些問題甚至在較長一段時(shí)間內(nèi)都可能難以解決，只有用現(xiàn)有的技術(shù)盡最大可能地解決現(xiàn)有的問題，我們才能不斷地走在科技發(fā)展的前列。四旋翼飛行器的研制是一項(xiàng)包含了多種交叉學(xué)科的高、精、尖技術(shù)，其研究水平在一定程度上可以反映一個(gè)國家在微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)力。它的研制不僅是對其自身問題的解決，更重要的是，還能對其它許多相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。 四旋翼飛行器的研究領(lǐng)域十分廣闊，并且隨著研究的不斷深入，其研究范疇還在繼續(xù)擴(kuò)大。本課題不可能將所有問題都包含其中，而只能就其中的部分技術(shù)問題開展一些探索性研究工作[1][2]。
自動(dòng)駕駛儀原意是用自動(dòng)器取代駕駛員，但是，一直到現(xiàn)在，作為自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)基本組成部分的自動(dòng)駕駛儀實(shí)際上并無法完全取代駕駛員的職能，只有最完善的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)才能真正取代駕駛員，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)飛行[3]。自動(dòng)駕駛儀的基本功能可以列舉如下：
1）自動(dòng)保持三軸穩(wěn)定，具體地說，即自動(dòng)保持偏航角和俯仰角與某一希望角度，滾轉(zhuǎn)角保持為零進(jìn)行直線飛行。
2）駕駛員可以通過旋鈕或者其他控制器給定任意航向或俯仰角，使飛機(jī)自動(dòng)改變航向并穩(wěn)定于該航向，或使飛機(jī)上仰并保持給定俯仰角。
3）自動(dòng)保持飛機(jī)進(jìn)行高度飛行。
4）駕駛員通過控制器操縱飛機(jī)自動(dòng)爬高或俯沖，達(dá)到某一預(yù)定高度，然后保持這個(gè)高度[4]。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
UAV，即沒有出現(xiàn)載機(jī)飛行員的飛行器。它包括：旋翼式飛機(jī)、直升機(jī)、軟式小型飛船以及其他飛行器。相對于有人駕駛的系統(tǒng)而言，UAV具有很多優(yōu)勢（例如機(jī)動(dòng)性，即瞬時(shí)改變姿態(tài)的能力），近些年來在控制和商業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)生了相當(dāng)客觀的利潤[5]。UVA的有事包括搜尋和營救、監(jiān)視、遠(yuǎn)程檢查、以及使飛行員免于危險(xiǎn)條件下飛行的軍事應(yīng)用等。主要應(yīng)用有：難以接近或很難到達(dá)的工作環(huán)境（例如星際飛行）；危險(xiǎn)的工作環(huán)境（例如戰(zhàn)爭中）；飛行單調(diào)的工作環(huán)境；飛行時(shí)間長的工作環(huán)境（大氣觀測，數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊龋?；及時(shí)是熟練的飛行員也不能勝任的飛行條件（例如，電影特技，飛行器的試驗(yàn)飛行等等）[6][7]。
人類的進(jìn)步與創(chuàng)造性的幻想是分不開的。十八世紀(jì)后期，氣球出乎意料地把人輕而易舉地送到空中，開創(chuàng)了人類飛行實(shí)驗(yàn)的新紀(jì)元，并為后來飛機(jī)的上天開辟了道路。1903年，美國萊特兄弟成功研制出世界上第一架能載人飛行的動(dòng)力飛機(jī)，從而真正揭開了人類近代航空發(fā)展史的序幕[8]。人類對四旋翼飛行器的夢想和渴望由來己久，但受到理論認(rèn)識(shí)和科技發(fā)展速度制約，四旋翼飛行器在很長一段時(shí)間里并未得到足夠的重視和發(fā)展。
四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)最早可以追溯到1907年，在Richet教授的指導(dǎo)下，Breguet兄弟Louis和Jacque制造了第一架旋翼式飛行器，Breguet-Richet四旋翼飛行器的框架是由四個(gè)長長的焊接鋼管支架組成，并按水平十字交叉形式分布，處于對角線位置的旋翼，其中一對按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，而另一對按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)[9]。據(jù)說該四旋翼飛行器已經(jīng)飛了起來，并且攜帶飛行員飛到了1.5m的高度，但飛行時(shí)間很短。然而這次飛行中沒有用到任何的控制，可想而知，四旋翼飛行器的這次飛行的穩(wěn)定性是很差的[10]。
萊特兄弟研制的第一架動(dòng)力飛機(jī)試飛陳功。此后，飛行器在科學(xué)和民用領(lǐng)域得到了人們廣泛的認(rèn)可，并最終成為了運(yùn)輸、娛樂和戰(zhàn)爭的可行性選擇[11]。自從那時(shí)起，技術(shù)上已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，并且開發(fā)的飛行器種類也越來越多。除了飛機(jī)，20世紀(jì)初期也已經(jīng)制造出了直升機(jī)[12]。
旋翼式直升機(jī)中有一種叫做Ouadrotor的垂直起降機(jī)，也就是本人提到的四旋翼直升機(jī)。Ouadrotor這一概念很久以前就已經(jīng)提出了[13]。
20世紀(jì)初，法國科學(xué)家和學(xué)者Charles Richet制造了一個(gè)非常小的、沒有駕駛員的旋翼式直升機(jī)。盡管該旋翼式直升機(jī)的飛行試驗(yàn)沒有成功，但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)使得Richet的一個(gè)學(xué)生Louis Breguet獲得了靈感，并且不久之后成為了著名的航空學(xué)先驅(qū)。1906年的下半年，在Richet 教授的指導(dǎo)下，Breguet兄弟來自于著名的Breguet鐘表制造世家，并且具有豐富的工作原理知識(shí)和足夠進(jìn)行一系列設(shè)計(jì)工作的資金[14]。1907年，Breguet 兄弟制造了他們的第一架旋翼式直升機(jī)，即Breguet-Richet “旋翼機(jī)1號(hào)”。Breguet-Richet四旋翼直升機(jī)的框架是由四個(gè)常常的焊接鋼管支架組成，并按照水平十字交叉形式分布，看起來有點(diǎn)像幾個(gè)梯子裝配在一起。1907年8月和9月間，“旋翼機(jī)1號(hào)”在法國北方小鎮(zhèn)杜埃進(jìn)行了第一次飛行試驗(yàn)。據(jù)說該四旋翼直升機(jī)已經(jīng)飛了起來，并且攜帶飛行員飛到了1.5米的高度，但飛行時(shí)間很短[15]。然而這次飛行中沒有用到任何控制，可想而知，四旋翼直升機(jī)的這次飛行處女秀的穩(wěn)定性是很差的。
George De Bothezat在美國俄亥俄州西南部城市代頓的美國空軍部建造了另一架大型的四旋翼直升機(jī)[16]。直升機(jī)四個(gè)螺旋槳的直徑每個(gè)都是26英尺，并且全部的四個(gè)螺旋槳都是由一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的。雖然De Bothezat四旋翼直升機(jī)先后進(jìn)行了100多次飛行試驗(yàn)，但是仍然無法很好的控制其飛行，并且沒有達(dá)到?jīng)]過空軍標(biāo)準(zhǔn)。
20世紀(jì)30年代，出現(xiàn)了一種叫做Oemichen的四旋翼直升機(jī)，該直升機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了1km的垂直飛行[17]。
緊接著Convertawings在紐約的Amitycille又制造了一架四旋翼直升機(jī)。該飛行器的螺旋槳在直徑上超過了19英尺，并通過機(jī)翼產(chǎn)生向前的飛行的升力。該四旋翼直升機(jī)在設(shè)計(jì)中用了兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，并且通過改變每個(gè)螺旋槳提供的推力來控制飛行器。雖然Convertawings四旋翼直升機(jī)飛行很成功，但遺憾的是由于缺乏對于這種飛行器的興趣，導(dǎo)致了工程設(shè)計(jì)人員研究的停止[18][19]。
在此之后的數(shù)十年中，四旋翼直升機(jī)沒有什么大的進(jìn)展。然而，近幾十年來，四旋翼直升機(jī)又引起人們極大的興趣，很多學(xué)術(shù)論文不斷發(fā)表。結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化，動(dòng)力學(xué)特性上進(jìn)行了深入研究，尤其是傳感器也進(jìn)行了大膽的嘗試，控制方法上更是不斷嘗試新方法。這些資料可以增進(jìn)研究和愛好者對四旋翼的了解和認(rèn)識(shí)[20][21]。
近幾十年來，四旋翼直升機(jī)又引起人們極大的興趣，很多學(xué)術(shù)論文不斷發(fā)表[22]。結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化，動(dòng)力學(xué)特性上進(jìn)行了深入研究，尤其是傳感器也進(jìn)行了大膽的嘗試，控制方法上更是不斷嘗試新方法[23] 。
雖然國際上針對四旋翼飛行器已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)廣泛和深入的研究，但在國內(nèi)，目前這一方面的研究成果還很少。
1.3 課題的主要研究內(nèi)容
論文共分四章，各部分主要內(nèi)容如下：
第一章是緒論，闡述課題研究的背景及其意義，主要綜述目前四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀，以及自動(dòng)駕駛儀的功能、基本組成和工作原理。
第二章對四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，提出飛行控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。飛行控制計(jì)算機(jī)是四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀的核心組成部分，也是實(shí)現(xiàn)技術(shù)的主要內(nèi)容。首先進(jìn)行系統(tǒng)硬件的選型，然后重點(diǎn)研究飛行控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思路、系統(tǒng)工作原理，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)各部分工作電路，最后進(jìn)行飛行控制計(jì)算機(jī)的調(diào)試和測試。
第三章把小擾動(dòng)線性化的數(shù)學(xué)模型作為四旋翼飛行器控制對象，進(jìn)行控制律設(shè)計(jì)。在密切聯(lián)系四旋翼飛行器工作原理和線性模型的基礎(chǔ)上，提出控制系統(tǒng)的控制策略以及實(shí)施方案，采用經(jīng)典的比例積分微分控制方法，設(shè)計(jì)四旋翼飛行器在懸停狀態(tài)下姿態(tài)控制律和位置控制律，對數(shù)字仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證控制方案的可行性。
第四章是對全文所做工作進(jìn)行總結(jié)，并展望后續(xù)工作的研究方向。
2 四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀
2.1 飛行控制系統(tǒng)需求分析
四旋翼飛行器要保持穩(wěn)定的飛行狀態(tài)必須具備各種信息傳感器、自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等一整套完整設(shè)備。傳感器是用來測量飛機(jī)姿態(tài)及位置信息的，自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器測量出的信息生成使飛行器穩(wěn)定飛行的控制指令，然后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)最終完成。
自動(dòng)駕駛儀是自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)中最基本的組成部分。四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀由傳感器、飛行控制計(jì)算機(jī)、電子調(diào)速器以及電機(jī)構(gòu)成，主要可分為傳感器分系統(tǒng)、飛行控制計(jì)算機(jī)和伺服作動(dòng)分系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖2.1 自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.2 飛行控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
根據(jù)四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)需求，采用如圖2所示的數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。
圖2.1中虛線以上部分是空中機(jī)載平臺(tái)，其核心是基于C8051F020的飛行控制計(jì)算機(jī)。機(jī)載平臺(tái)還包括一些非常重要的傳感器
圖2.2 飛行控制系統(tǒng)模塊框圖
2.3 系統(tǒng)硬件的選型和特性分析
2.3.1 處理器
鑒于飛行控制系統(tǒng)需求，特別是為了達(dá)到其控制性能要求的情況下，滿足重量輕、體積小、功耗低和成本低要求，處理器考慮在集成度高的高性能單片機(jī)中選擇。在眾多單片機(jī)家族中，C8051F020 是 CYGNAL 公司開發(fā)的以 8051為內(nèi)核的高性能 8 位單片機(jī)片上系統(tǒng)(SoC, System on a Chip)，它不但指令執(zhí)行效率高，而且在芯片上還集成了很多外圍電路，如 FLASH 程序存儲(chǔ)器，RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，定時(shí)器和模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器等等，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)尺寸小的要求。它對 8051 的指令執(zhí)行作了改變，除了部分指令(如乘法指令)以外，很多指令的執(zhí)行時(shí)間都只有 1～2 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。單片機(jī)采用先進(jìn)的 CMOS 工藝，功耗大大降低，主時(shí)鐘頻率也大大提高，最高主時(shí)鐘頻率可達(dá) 100MHz；環(huán)境適應(yīng)能力也大大提高，完全達(dá)到工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該芯片還集成了部分模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，串行通訊口，定時(shí)器和看門狗等模數(shù)混合電路。考慮到飛行控制計(jì)算機(jī)的功能需求，幾乎無需增加額外芯片就能滿足要求，因此芯片可作為飛行控制計(jì)算機(jī)的核心部件。C8051F020 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。
C8051F020 單片機(jī)是 C8051F 系列中一個(gè)比較有代表性的型號(hào)。該器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí) MCU 芯片，具有 64 個(gè)數(shù)字 I/O 口，主要特性：
1） 高速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051 兼容的 CIP-51 內(nèi)核(可達(dá) 25MIPS)。
2） 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))。
3） 64KB 可在系統(tǒng)編程的 Flash 存儲(chǔ)器。
4） 4352(4096+256)B 的片內(nèi) RAM。
5） 可尋址 64KB 地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口。
6） 硬件實(shí)現(xiàn)的 SPI、SMBus/I2C 和兩個(gè) UART 串行接口。
7） 5 個(gè)通用的 16 位定時(shí)器。
8） 具有 5 個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列。
9） 片內(nèi)看門狗定時(shí)器，VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器。
圖2.3 C8051F020 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
芯片上的硬件調(diào)試電路和JTAG測試電路大大簡化了調(diào)試方法和程序燒制的方法，只需要連上仿真器，便可以在線進(jìn)行程序調(diào)試和燒制。CYGNAL公司為該芯片的應(yīng)用開發(fā)了一套完整的應(yīng)用軟件－－Cygnal IDE，它集成了編程、編譯和調(diào)試跟蹤和程序燒制等功能，使得對該芯片的應(yīng)用編程非常方便、快捷。
2.3.2 傳感器
1． MIN-IVA900慣性測量單元模塊
為了測量四旋翼飛行器的3軸角速度和3軸線加速度信息，系統(tǒng)選用航天長城科技有限公司的MIN-IVA900慣性測量單元模塊(圖2.4)。MIN-IVA900的慣性傳感元件為3D陀螺儀和3D加速度計(jì)。MIN-IVA900模塊通過RS-232或者 RS-485協(xié)議與外界通訊，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、功耗低，重量僅為74g，規(guī)格為 25cm×65cm×90cm。
圖2.4 MIN-IVA900慣性測量單元模塊
2． HMR2300磁航向計(jì)
由于慣性測量單元的誤差隨時(shí)間積累，單獨(dú)提供飛行器的姿態(tài)信息不能滿足系統(tǒng)的自主飛行控制要求，因此需要使用三軸磁航向計(jì)對慣性測量單元的航向姿態(tài)信息進(jìn)行修正。雖然磁航向計(jì)信號(hào)時(shí)間較長，不能單獨(dú)為四旋翼無人機(jī)的飛行控制提供可用的導(dǎo)航信號(hào)，但它是導(dǎo)航測量系統(tǒng)中必不可少的測量姿態(tài)的輔助傳感器。系統(tǒng)選用霍尼韋爾公司的三軸智能數(shù)字磁航向計(jì)HMK2300(圖2.5)，來檢測磁場的強(qiáng)度和方向，通過RS-232或者RS-485協(xié)議與外界通訊。電橋輸出端相應(yīng)電壓的變化通過一個(gè)16位AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。磁航向計(jì)具有補(bǔ)償硬磁干擾、鐵磁物體干擾和離散磁場功能。
圖2.5 HMR2300 磁航向計(jì)
3． DGPS
系統(tǒng)選用 DGPS 來確定四旋翼飛行器的位置。DGPS 選用 NovAtel 公司的產(chǎn)品，差分基站主要由 FLEXPAK-G2L-31518 接收機(jī)、GPS-701 天線組成；差分移動(dòng)站由 OEM4-G2L 以及自行設(shè)計(jì)移動(dòng)站開發(fā)板組成。
4. SRF05 聲納高度計(jì)
由于四旋翼飛行器的飛行高度較低，系統(tǒng)選用聲納高度計(jì)測量飛行器離地高度。SRF05 超聲測距模塊(圖2.6)，體積小(43mm×20mm×17mm)、重量輕(10g)，工作電壓為 5VDC，發(fā)射角可達(dá) 90o，測量范圍 0.01～4m，測量精度在0.01m 以內(nèi)。SRF05 超聲測距模塊通過標(biāo)準(zhǔn) I/O 總線輸入輸出信號(hào)，信號(hào)周期為 30ms。當(dāng)向 SRF05 輸入 10μs TTL 觸發(fā)脈沖后，SRF05 輸出以 μs 為單位的回波脈沖，回波脈沖寬度代表距離范圍，即測量距離(單位cm)＝回波脈沖寬度(單位 μs)/29。
圖2.6 SRF05 聲納高度計(jì)
2.3.3 執(zhí)行器
由于四旋翼飛行器要求成本低、重量輕，系統(tǒng)選用 A2915 外傳子無刷直流電機(jī)(圖2.7)。A2915 無刷直流電機(jī)工作電壓為 7.2～16.8VDC，電流為 3～35A，功效為 90％，重量僅為 154g，通過改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間和通電周期的比值(即占空比)來改變平均電壓的大小，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。漿葉型號(hào)為12× 6 APC-E。對于四旋翼飛行器來說，這種電機(jī)既提供很大的旋翼拉力，又減輕了整個(gè)飛行器的重量。
圖2.7 A2915 外傳子無刷直流電機(jī)
2.4 飛行控制計(jì)算機(jī)原理設(shè)計(jì)
2.4.1 飛行控制計(jì)算機(jī)配置
根據(jù)四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)的需求和系統(tǒng)硬件的選型，飛行控制計(jì)算機(jī)采用如下配備方案：
1) 提供足夠的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。
2) 提供 4 個(gè) RS-232 標(biāo)準(zhǔn)的串行通信口，1 個(gè) I/O 口，分別分配給慣性測量單元模塊、磁航向計(jì)、DGPS、數(shù)字電臺(tái)和高度計(jì)。
3) 提供 4 路控制電機(jī)的高精度 PWM 控制信號(hào)。
4) 提供 4 個(gè) I/O 口，用來采樣 4 個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)。
2.4.2 飛行控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)
根據(jù)飛行控制計(jì)算機(jī)的配置，設(shè)計(jì)飛行控制計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。
圖2.8 飛行控制計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)
基于四旋翼飛行器體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)，挑選材料時(shí)，盡可能選用貼片封裝的電阻、電容及元器件，使整機(jī)重量減輕，盡可能選用低功耗的CMOS 元器件，使整機(jī)功耗降低。
考慮到控制程序可能用到大量數(shù)據(jù)，或者為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間而采用查表方式來計(jì)算超元函數(shù)值時(shí)，需要較大的內(nèi)存空間，但是 C8051F020 只有4352BRAM(4KB 片上 RAM+256B 核內(nèi) RAM)，可能不能滿足復(fù)雜控制及信號(hào)處理軟件的開發(fā)。因此采用靜態(tài) RAM 芯片 IS62C256 在 C8051F020 片外擴(kuò)展了 32KBSRAM。
2.4.3 串口通訊擴(kuò)展電路
雖然 C8051F020 具有 2 個(gè)增強(qiáng)型 UART 異步串行接口，但仍不能滿足飛行控制系統(tǒng)多路串行通信接口的需要。目前比較通用的串口擴(kuò)展方案有兩種，一種串口擴(kuò)展方案是用軟件實(shí)現(xiàn)，用通用 I/O 口軟件模擬串口的時(shí)序，這種方法存在的缺點(diǎn)有：①每個(gè)位的采樣次數(shù)低，一般只能做到每位 2 次，這樣就難以保證數(shù)據(jù)的正確性。②軟件模擬串口一般不能實(shí)現(xiàn)高于 4800bps 的波特率，不能滿足本系統(tǒng)的要求。③軟件模擬串口將占用大量的 CPU 時(shí)間，尤其是要多串口同時(shí)工作時(shí)，無法保證通訊的實(shí)時(shí)性和可靠性。另一種串口擴(kuò)展方案是用硬件實(shí)現(xiàn)，使用多串口單片機(jī)或?qū)Ｓ么跀U(kuò)展芯片。根據(jù)前面飛行控制計(jì)算機(jī)的配置方案，外部需要擴(kuò)充 4 路帶輸入輸出緩沖的串行通信口，可以將 C8051F020片上的 2 個(gè)增強(qiáng)型 UART 異步串行接口作為備用或系統(tǒng)功能擴(kuò)展時(shí)用。顯然，在需要擴(kuò)展 4 路串行通信口時(shí)，方案一是不可行的，而方案二可行，目前市場上有很多專用串口擴(kuò)展芯片，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用場合選擇合適的芯片。
TL16C554FN 經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換模塊與串行接口連接的具體電路如圖2.10所示。
圖2.9 串口通訊擴(kuò)展及外部 RAM 擴(kuò)展
圖2.10 串口通訊擴(kuò)展電路
2.4.4 PWM 信號(hào)隔離電路
C8051F020 內(nèi)部集成有一個(gè)可編程計(jì)數(shù)器陣列 PCA0(Programmable CounterArray)，PCA0 包含有一個(gè)專用的 16 位的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和 5 個(gè) 16 位捕捉/比較模塊。每個(gè)捕捉/比較模塊都有自己的 I/O 線(CEXn)。通過交叉配置開關(guān)，可以將 I/O 線連到并行 I/O 端口。每個(gè)捕捉/比較模塊可以獨(dú)立輸出 16 位 PWM 信號(hào)。設(shè)計(jì)中 4 個(gè)周期為 20ms 的 PWM 信號(hào)由捕捉/比較模塊 0～捕捉/比較模塊 3 產(chǎn)生。
飛行器的電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生比較大的沖擊電流，為了加強(qiáng)飛行控制系統(tǒng)的可靠性，需要對飛行控制計(jì)算機(jī)輸出的 PWM 信號(hào)進(jìn)行隔離。PWM 信號(hào)的隔離若采用高速光電耦合器如 6N137，對 4 路 PWM 信號(hào)的隔離需要 4 個(gè)光電耦合器，它們總共需要近 80mA 的工作電流，這對于由電池供電的系統(tǒng)是不能忍受的，同時(shí)光電耦合器需要大量的電阻、電容配合工作，這會(huì)增大 PCB 的面積，這有悖于本系統(tǒng)體積小、重量輕、功耗低的設(shè)計(jì)目標(biāo)。光電耦合器的響應(yīng)速度也是制約其在高速場合應(yīng)用的一個(gè)弊端。這里，PWM 信號(hào)采用 ADI 公司的 iCoupler 系列數(shù)字隔離器進(jìn)行信號(hào)隔離，該器件將 COMS 與芯片級(jí)變壓器技術(shù)相結(jié)合，以便實(shí)現(xiàn)尺寸、成本和功耗都優(yōu)于光電耦合器的隔離解決方案。
本系統(tǒng)采用一片 ADuM1400 實(shí)現(xiàn)了 4 路 PWM 輸出信號(hào)的隔離，很好的實(shí)時(shí)性，大大減小了系統(tǒng)功耗和 PCB 面積，取得了良好的效果。 PWM 信號(hào)隔離電路如圖2.11所示。
圖2.11 PWM 信號(hào)隔離電路
2.4.5 飛行控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中的問題及解決方法
2.4.5.1 存儲(chǔ)空間和 I/O 空間的地址分配
C8051F020 是單片機(jī)結(jié)構(gòu)的片上系統(tǒng)，內(nèi)部 256 個(gè)單元的 RAM 和寄存器單獨(dú)編址，片上 4KB RAM、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器及 I/O 空間采用統(tǒng)一編址的方式，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理設(shè)計(jì)片上 RAM、外部擴(kuò)展 SRAM 和 I/O 的空間分配。外部 RAM 擴(kuò)展如圖2.9所示。
地址信號(hào) A15(P5.7)經(jīng)過反相器 4069 輸入給外擴(kuò) SRAM 芯片 IS62C256，A15 經(jīng)過 3-8 譯碼器輸入給串口擴(kuò)展芯片 TL16C554FN，實(shí)現(xiàn)空間地址的分離?？臻g地址譯碼電路實(shí)現(xiàn)如圖12所示。
圖2.12 地址譯碼電路
設(shè)計(jì)的地址譯碼電路實(shí)現(xiàn)簡單，僅需要一個(gè)非門和一個(gè) 3-8 譯碼器便可實(shí)現(xiàn)以上的空間分配譯碼，不僅把外部 SRAM 和片上 RAM 分開，而且各個(gè)擴(kuò)展串口的空間也相互獨(dú)立。存儲(chǔ)空間和 I/O 空間地址分配如表1所示。擴(kuò)展串口UART0、UART1、UART2、UART3 地址屬于外部 I/O 地址空間。
表2.1 存儲(chǔ)空間和 I/O 空間的地址分配
2.4.5.2 總線時(shí)序匹配考慮和芯片選型
多個(gè)芯片通過總線互連進(jìn)行通信時(shí)，一個(gè)非常關(guān)鍵的問題就是時(shí)序匹配問題。而對于高速總線，還必須結(jié)合 PCB 布線延遲來考慮。高速總線如果不計(jì)PCB 布線延遲，而通過理論計(jì)算恰好能夠滿足彼此的時(shí)序條件時(shí)，則還必須選擇高性能的芯片，以便給 PCB 布線提供余量。而有時(shí)無論怎么選擇芯片，芯片之間的時(shí)序都不能滿足，可以考慮通過 PCB 布線延遲來滿足，從而使得芯片之間的時(shí)序最終完全匹配，信號(hào)傳輸可靠。
對于接收信號(hào)的芯片，由于工藝原因，往往有TDS和TDH性能參數(shù)要求。TDS為信號(hào)相對于有效時(shí)鐘沿的建立時(shí)間，TDH 為信號(hào)相對于有效時(shí)鐘沿的保持時(shí)間，其含義如圖2.13所示。
圖2.13 總線信號(hào)輸入時(shí)芯片要求的時(shí)序
對于發(fā)送信號(hào)的芯片，會(huì)提供信號(hào)輸出的性能參數(shù)和 。表示信號(hào)相對于有效時(shí)鐘沿的最小延遲時(shí)間，表示信號(hào)相對于有效時(shí)鐘沿的最大延遲時(shí)間。其含義如圖2.14所示。
圖2.14 總線信號(hào)輸出時(shí)芯片要求的時(shí)序
當(dāng)時(shí)序匹配時(shí)，應(yīng)該滿足的兩個(gè)關(guān)系式為
其中，是 PCB 布線延時(shí)，跟信號(hào)線的阻抗和走線長度有關(guān)，是系統(tǒng)時(shí)鐘周期?？偩€分為同步和準(zhǔn)同步總線兩種情況，而每種情況又分為地址線及控制線和數(shù)據(jù)線兩類(即從單向和雙向來考慮)。同步總線情況下，數(shù)據(jù)線這種雙向信號(hào)，要考慮到不同的數(shù)據(jù)源和不同的接收端。準(zhǔn)同步總線情況下，盡管沒有時(shí)鐘參考，但是一般的芯片接口會(huì)設(shè)定一個(gè)有效的跳變沿作為有效參考沿，而其他的輸入時(shí)延要求和輸出時(shí)延性能參數(shù)都是相對該參考沿的。從接收和發(fā)送芯片的手冊中，都可以查到相應(yīng)的時(shí)序匹配要求。下面就飛行控制計(jì)算機(jī)的芯片選型情況，分析一下總線上選定芯片之間的時(shí)序匹配情況和對 PCB 設(shè)計(jì)提出的相應(yīng)要求。SRAM 芯片為IS62C256，UART擴(kuò)展芯片為TL16C554FN。
C8051F020往SRAM芯片IS62C256寫數(shù)據(jù)時(shí)，IS62C256對總線信號(hào)的寫時(shí)序要求：，，，，，，。和是相對于信號(hào)的上升沿，也就是說該SRAM是利用的上升沿來鎖存Din上的數(shù)據(jù)，這兩個(gè)時(shí)序參數(shù)需要綜合考慮將PCB布線和軟件配置相結(jié)合才能滿足，而，等其他參數(shù)一般可以通過軟件靈活設(shè)置來滿足。有的 CPU 總線接口的和要求也可以通過軟件配置來增加幾個(gè)周期。
對于C8051F020來說，從帶塊選擇的非復(fù)用8位寫時(shí)序要求可以看出：與SRAM的、和相對的參數(shù)分別是、和，其中，，，，。由，得。由得。當(dāng)然還可以檢查 SRAM 其它幾個(gè)時(shí)序參數(shù)的滿足情況，一般滿足了、和這三個(gè)參數(shù)要求后，其他參數(shù)要求可以自然滿足。
C8051F020往串口擴(kuò)展芯片TL16C554FN寫數(shù)據(jù)時(shí)，從TL16C554FN的時(shí)序要求可以看出：與C8051F020寫時(shí)序中的、和相對的參數(shù)分別是、和。由,則要求。有,則要求。相應(yīng)的PCB布線延遲要求。
由于SRAM芯片和串口擴(kuò)展芯片同時(shí)處于C8051F020的外部總線上，所以兩個(gè)芯片必須同時(shí)滿足。綜合以上C8051F020分別寫SRAM芯片和寫串口擴(kuò)展芯片的分析，可以得出C8051F020總線接口寫時(shí)序的配置和PCB布線要求：，，。
根據(jù)同樣的道理，分析 C8051F020 讀 SRAM 芯片時(shí)序匹配要求，可以得到，。分析C8051F020讀串口擴(kuò)展芯片時(shí)序匹配要求，可以得到，，。綜合以上C8501F020分別讀SRAM芯片和讀串口擴(kuò)展芯片的分析，可以得出 C8051F020 總線接口讀時(shí)序的配置和PCB布線要求：，，。
根據(jù)以上讀寫時(shí)序分析的結(jié)果，綜合考慮可令C8051F020的外部存儲(chǔ)器時(shí)序控制寄存器(EMIOTC)為 0x45，使兩者時(shí)序達(dá)到最佳匹配狀態(tài)。PCB設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該控制數(shù)據(jù)線相對于WR和RD信號(hào)線的線長差，以保證延遲時(shí)間不超過50ns和45ns。這個(gè)結(jié)果對于C8051F020的單板PCB設(shè)計(jì)來說，余量非常寬松，基本可以不考慮。
2.4.5.3 芯片間多種邏輯電平的互連
隨著集成電路設(shè)計(jì)工藝的發(fā)展，集成芯片采用了多種制造工藝。很多芯片采用的是經(jīng)典的 5V TTL 或者 5V CMOS，因此它們的接口電平為 TTL 或者CMOS 電平標(biāo)準(zhǔn)，而新開發(fā)出來的芯片往往是采用新的工藝，比如低電壓 TTL或者低電壓 CMOS，它們相應(yīng)的的接口電平為 LVTTL 或者 LVCOMS 電平標(biāo)準(zhǔn)。 因此多種邏輯電平共存是現(xiàn)代數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的普遍現(xiàn)象，但是這也最容易被忽視而產(chǎn)生問題，成為通信不可靠的問題之一。在進(jìn)行 C8051F020 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮多種邏輯電平的對接處理和選擇。幾種常用集成工藝和數(shù)字邏輯電平如表 2.2所示。
表2.2 幾種常用集成工藝和數(shù)字邏輯電平
C8051F020 是LVCMOS工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)核，I/O與內(nèi)核供電電壓統(tǒng)一為3.3V。數(shù)字邏輯電平的門檻電壓為：輸入高電平：，輸入低電平：；輸出高電平，輸出低電平。因此連接芯片的信號(hào)邏輯電平都必須與C8051F020匹配，不能匹配的要設(shè)計(jì)相應(yīng)的匹配電路。
SRAM只跟C8051F020芯片有信號(hào)連接，為了避開電平不匹配的問題，因此選用3.3V CMOS工藝的 SRAM 芯片。上文中提到的SRAM芯片IS62C256采用的便是3.3V CMOS工藝，根據(jù)芯片手冊提供的數(shù)據(jù)為：輸出高電平：，輸出低電平；，。因此SRAM芯片IS62C256與C8051F020單片機(jī)能夠電平相配。
串口擴(kuò)展芯片TL16C554FN功能非常完善，技術(shù)也非常成熟。它是傳統(tǒng)的5V TTL工藝生產(chǎn)的，在選型和應(yīng)用時(shí)要特別注意。它要求的輸入高電平范圍為，輸入低電平范圍為，因此C8051F020的高電平信號(hào)，TL16C554FN能夠分辨出來。TL16C554FN的輸出高電平，，從理論上能滿足C8501F020的電平要求。但是TL16C554FN是5V供電芯片，實(shí)際信號(hào)輸出時(shí)輸出高電平常常大于3.3V，高于C8501F020供電電壓這樣容易造成電路硬件閂鎖，并且降低芯片的工作壽命。一般如圖2.15處理。
圖2.15 防止輸入信號(hào)過壓的方法
幸運(yùn)的是，C8051F020在芯片設(shè)計(jì)時(shí)將這部分電路集成到內(nèi)部，外部原理設(shè)計(jì)時(shí)無需加這種電壓限位電路。同理，系統(tǒng)中其它任何有信號(hào)連接的芯片，都要檢查是否存在電平不匹配的問題。
2.4.6 電源設(shè)計(jì)
基于四旋翼飛行器低功耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)，盡可能選用低功耗的 CMOS 芯片，使系統(tǒng)功耗降低。電源電路設(shè)計(jì)對于飛行控制計(jì)算機(jī)的性能是非常重要的。C8051F020飛行控制計(jì)算機(jī)中主要有5V和3.3V的數(shù)字電源以及3.3V 模擬電源。由于5V電源通過電源變換芯片MC7805T提供，所以在飛行控制計(jì)算機(jī)電源設(shè)計(jì)時(shí)，只需要考慮3.3V電源設(shè)計(jì)和計(jì)算出5V電源功率要求，以便為整個(gè)系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)思路。而3.3V電源可以通過電源變換電路從5V電源變換過來。飛行控制計(jì)算機(jī)中，各芯片電源功率統(tǒng)計(jì)如表2.3所示。
表2.3 芯片電源功率統(tǒng)計(jì)
上表指出，系統(tǒng)正常工作需要電源功率需求約為，但是可能的最大瞬時(shí)電流為，如果采用線性調(diào)壓器，很難選擇合適的供電芯片。按照最大電流來選擇，又會(huì)造成資源浪費(fèi)，而且會(huì)造成電源的功率增加，因?yàn)槭蔷€性調(diào)壓器的效率較低，如從變換到的效率為，而且和的壓差不大，要提供 1A 左右的電流，比較麻煩。因此設(shè)計(jì)中選用 TI 公司的小功率開關(guān)電源芯片 TPS7333Q，把 (VCC)電源轉(zhuǎn)化成 (VDD)數(shù)字電源和 (AV+)模擬電源，實(shí)現(xiàn)了電源設(shè)計(jì)如圖2.16所示。
圖2.16 電源變換電路
芯片 TPS7333Q 持續(xù)輸出的正常電流為 500mA，最大輸出電流可達(dá) 2A，完全滿足基本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，效率超過百分之八十。這樣對外部的5V電源要求提供的額定功率為，最大功率為。另外，為了增加電源的穩(wěn)定性，防止噪聲和干擾，減小紋波，在系統(tǒng)各電源入口處增加一系列電容，因?yàn)椴煌葜档碾娙菘梢詾V掉不同頻率的紋波。
2.4.7 系統(tǒng)復(fù)位設(shè)計(jì)
復(fù)位方案設(shè)計(jì)對系統(tǒng)的可靠性非常關(guān)鍵，復(fù)位不完全或者不可靠，會(huì)造成控制系統(tǒng)上電時(shí)誤動(dòng)作，導(dǎo)致破壞性影響，異常復(fù)位會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)失控。采用的系統(tǒng)復(fù)位策略：飛行控制計(jì)算機(jī)上電后，復(fù)位 C8051F020 單片機(jī)，其他芯片處于復(fù)位狀態(tài)。然后 C8051F020 開始執(zhí)行初始化程序，將復(fù)位信號(hào)置于無效狀態(tài)，初始化接口，通過 I/O 端口去初始化其他芯片。而 C8051F020 單片機(jī)本身有多種提高系統(tǒng)可靠性的復(fù)位源，如電源電壓過低復(fù)位，時(shí)鐘丟失復(fù)位和程序跑飛時(shí)導(dǎo)致的看門狗復(fù)位。這些復(fù)位直接對 C8051F020 復(fù)位，這樣C8051F020 重新運(yùn)行程序，并檢查某些狀態(tài)寄存器來選擇初始化的外部設(shè)備，從而進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位設(shè)計(jì)如圖2.17所示。
圖2.17 飛行控制計(jì)算機(jī)的復(fù)位設(shè)計(jì)
2.4.8 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)
時(shí)鐘是時(shí)序的基礎(chǔ)，時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)是電路設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。在 C8051F020 單片機(jī)的振蕩器中，有一個(gè)內(nèi)部振蕩器和一個(gè)外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路都能產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘。外部振蕩器的精確度高，穩(wěn)定性好，使用方便，并且可以節(jié)約單片機(jī)的資源。外部振蕩器的時(shí)基信號(hào)可以來自于外接晶體、外部 RC 網(wǎng)絡(luò)、外部電容電路、外部 CMOS 電平時(shí)鐘源。設(shè)計(jì)中采用外部振蕩器，使用晶體作為 C8051F020 的外部源。C8051F020 提供了兩個(gè)時(shí)鐘管腳 XTAL1 和 XTAL2。設(shè)計(jì)中采用一個(gè) 25.3648MHz 晶體提供時(shí)鐘，如圖2.18所示。
圖2.18 時(shí)鐘電路
首先配置外部振蕩器控制寄存器 OSCXCN，將 XOSCMD 位設(shè)置為 110b以直接使用晶體頻率，25.3648MHz 的晶體要求外部振蕩器頻率控制值(XFCN)為 111b，然后將內(nèi)部振蕩器控制寄存器 OSCICN 的 CLKSL 位設(shè)置為 1，即選擇外部振蕩器作為系統(tǒng)時(shí)鐘。因?yàn)榫w振蕩器電路對 PCB 電路板的布局非常敏感，設(shè)計(jì)中將晶體盡可能地靠近器件的 XTAL 引腳，并在晶體引腳接負(fù)載電容C3、C4；引線盡可能短，并用地平面屏蔽，以防止其他引線引入噪聲或干擾。
晶體振蕩器的啟動(dòng)需要幾毫秒的時(shí)間，當(dāng)外部晶體振蕩器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，晶體振蕩器有效標(biāo)志(XTLVLD)被硬件置為 1。XTLVLD 檢測電路要求在使能振蕩器工作和檢測 XTLVLD 之間至少有 1ms 的啟動(dòng)時(shí)間，在外部振蕩器穩(wěn)定之前就切換到外部振蕩器可能會(huì)導(dǎo)致不可預(yù)見的后果。設(shè)計(jì)如下程序解決：
1）使能外部振蕩器。
2）等待至少 1ms。
3）詢XTLVLD是否為 1，如果是進(jìn)入步驟(4)，否則繼續(xù)查詢該標(biāo)志位。
4）將系統(tǒng)時(shí)鐘切換到外部振蕩器。
2.4.9 飛行控制計(jì)算機(jī)的 PCB 設(shè)計(jì)
四旋翼飛行器載重有限，系統(tǒng)側(cè)重要求重量輕、體積小、功耗低、成本低。飛行控制計(jì)算機(jī)必須穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，否則將導(dǎo)致控制出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重時(shí)可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果。影響控制器可靠安全運(yùn)行的主要因素有：PCB 的走線與布局、信號(hào)傳輸、供電方式與地線設(shè)計(jì)、電磁干擾等。
2.4.9.1 系統(tǒng)功能高密度問題的解決
為了滿足重量和體積方面的要求，元器件選型時(shí)要盡量選用集成度高的芯片和先進(jìn)的加工工藝，以便減小 PCB 的面積，通過表面組裝技術(shù)(SMT)可以實(shí)現(xiàn)元器件的高度密集，同樣功能的器件其重量和體積將大大減小，從而減小了系統(tǒng)重量和體積。C8051F020 系統(tǒng)的 PCB 設(shè)計(jì)相對來說比較簡單，元器件不多，采用雙面表面組裝技術(shù)后，PCB 板上的器件密度較低，所以采用雙面板就可以制作 PCB。
2.4.9.2 高速總線 PCB 布線設(shè)計(jì)
高的處理能力要求高的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和寬的系統(tǒng)總線，這就帶來了高速數(shù)字信號(hào)的 PCB 設(shè)計(jì)問題。按照傳輸線理論來處理這些問題，如高速總線 PCB布線設(shè)計(jì)和 PCB 布線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
高速總線 PCB 布線設(shè)計(jì)要考慮高頻信號(hào)的傳輸問題。但是在具體處理時(shí)，還有一些值得注意的地方。高速數(shù)字信號(hào)的原理圖設(shè)計(jì)和 PCB 設(shè)計(jì)應(yīng)該緊密相連，在功能原理允許的范圍內(nèi)，要不停修改原理圖來方便 PCB 走線。這樣 SRAM的地址線和數(shù)據(jù)線連接方法隨著 PCB 布線的需要，設(shè)計(jì)中通過不斷調(diào)整原理圖中數(shù)據(jù)線和地址線的連接方法，使得 C8051F020 和 SRAM 芯片之間的連線非常順暢，如圖19所示，右上角一個(gè)雙排引腳的芯片為 SRAM，左下角芯片為C8051F020，右下角為 SRAM 與 C8051F020 之間的 8 位數(shù)據(jù)線，左上角為 SRAM與 C8051F020 之間的 15 位地址線。
2.4.9.3 信號(hào)線的參數(shù)設(shè)置和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
信號(hào)線的參數(shù)設(shè)置和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于該總線頻率不是非常高，可以省去仿真步驟。關(guān)于線長控制，只需要滿足原理設(shè)計(jì)中提出相關(guān)時(shí)延要求(一般按照 計(jì)算)。根據(jù)傳輸線理論可知阻抗均勻是減少高頻反射的一個(gè)重要途徑，因此同一信號(hào)線盡量在同一個(gè)信號(hào)層內(nèi)走線，保證回流通路一致，同一信號(hào)層內(nèi)只要保證走線線寬、線厚一致，阻抗就均勻。線寬、線厚、層厚以及型材決定了信號(hào)線的特征阻抗。例如，設(shè)計(jì)中線寬8mil，線厚 ，層厚 ，如果選用 型材，介電常數(shù)，可計(jì)算出該信號(hào)線的特征阻抗 歐左右。
C8051F020 的總線最高頻率可能達(dá)到 50MHz，總線上有 SRAM 和串口擴(kuò)展芯片或者譯碼芯片。這種總線屬于高速、多點(diǎn)驅(qū)動(dòng)源(數(shù)據(jù)線)或者一對多點(diǎn)式的總線，PCB 布線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常重要。根據(jù)傳輸線理論，采用手形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布線設(shè)計(jì) PCB 布局，如圖2.20所示。
圖2.20 內(nèi)存總線的 PCB 布局
2.4.9.4 地線的設(shè)計(jì)
電路的接地方式與位置、地線的走向與寬度直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作可靠性。電源和地采用平面濾波處理時(shí)，濾波效果最好，也就是說盡量讓電源和地形成耦合的平面，以構(gòu)成平行板電容器的效果。地線與電源線應(yīng)適當(dāng)加粗。當(dāng)線條太細(xì)時(shí)，由于這些線的阻抗，致使電源和接地電位隨負(fù)載電流而變，導(dǎo)致噪聲增加。因此應(yīng)將接地線條加粗，使它能通過三倍于印刷電路板上的允許電流。如有可能，接地用線應(yīng)在 2～3mm 以上。印刷板上的接地線，應(yīng)設(shè)計(jì)成網(wǎng)格狀，以減少電流環(huán)路面積，減少接地電位差，提高抗噪聲能力。數(shù)字地、模擬地分開走線，在飛行控制計(jì)算機(jī)板上不相連，而是在整個(gè)飛行控制系統(tǒng)電源模塊部分單點(diǎn)連接。數(shù)字部分和模擬部分獨(dú)立供電。即使同是數(shù)字地或模擬地，各單元電路不要采取簡單的公共地線串聯(lián)一點(diǎn)接地，而應(yīng)采取獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地方法，以消除各電路電流流經(jīng)公共地時(shí)所產(chǎn)生的共阻抗耦合干擾。地線及電源線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，將有助于增強(qiáng)抗噪聲能力。在晶振電路及其他高頻電路下面通常應(yīng)采用大面積接地方式，以起屏蔽作用。
2.4.9.5 PCB 布線處理
布線不僅是為實(shí)現(xiàn)電路的連接，更要考慮系統(tǒng)工作性能。在印刷板上，信號(hào)傳輸線的延時(shí)時(shí)間不應(yīng)大于使用器件的標(biāo)稱延時(shí)時(shí)間，也就是說印刷板上的引線長度越短越好，最好不超過 25cm。盡量使用 45o折線，而不要用 90o折線布線，以減少高頻信號(hào)對外的發(fā)射與耦合。輸入、輸出導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行，最好加線間地線。兩面的導(dǎo)線要相互垂直、斜交或彎曲走線，避免相互平行，以減少寄生耦合。用地線將時(shí)鐘區(qū)圈起來，時(shí)鐘線要盡量短。晶體振蕩器下面不要走線。閑置門電路的輸入端不要懸空，可采取并用、接地、接高電平等方式，以減少外部干擾信號(hào)對系統(tǒng)的影響。
飛行控制計(jì)算機(jī)的 PCB 如圖2.21所示，其中 PCB 的右側(cè)為電源轉(zhuǎn)換電路，提供傳感器和 PCB 上芯片的工作電源，粗黑線為電源線。
圖2.21 飛行控制計(jì)算機(jī)的 PCB 圖
2.5 飛行控制計(jì)算機(jī)的調(diào)試和性能測試及評(píng)估
2.5.1 行控制計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)調(diào)試和功能測試
根據(jù)CYGNAL公司提供的集成開發(fā)環(huán)境和調(diào)試指南，將設(shè)計(jì)的基于C8051F020的飛行控制計(jì)算機(jī)單板，連同調(diào)試計(jì)算機(jī)(PC機(jī))一起構(gòu)成硬件調(diào)試和應(yīng)用程序開發(fā)系統(tǒng)如圖2.22所示。
圖2.22 調(diào)試系統(tǒng)
飛行控制計(jì)算機(jī)單板調(diào)試時(shí)，首先設(shè)計(jì)出調(diào)試方案，然后按部就班地進(jìn)行，否則很容易導(dǎo)致元器件燒壞。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)如下調(diào)試步驟：
1）連接電源，檢查3.3V數(shù)字電源和3.3V模擬電源的電壓準(zhǔn)確性，檢查電路板是否有過分發(fā)熱的芯片。
2）連接仿真器，檢查仿真器是否能連接，是否能下載小的測試程序。
3）內(nèi)存遍歷測試(包括片內(nèi) RAM 和擴(kuò)展的片外 SRAM)。
4）串口功能測試(包括片上串口和擴(kuò)展串口)。
5）I/O 功能調(diào)試。
內(nèi)存遍歷測試主要是檢查所有總線信號(hào)是否有短路和斷路現(xiàn)象，檢查內(nèi)存映射是否與設(shè)計(jì)的相同，有沒有內(nèi)存重疊現(xiàn)象(多個(gè)芯片映射到一塊相同的地址空間，這樣會(huì)導(dǎo)致總線沖突)。但是普通的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要遍歷所有內(nèi)存比較麻煩，原因就是程序也會(huì)占用 RAM 空間，對這片 RAM 空間進(jìn)行讀寫會(huì)導(dǎo)致程序不能繼續(xù)運(yùn)行。C8051F020 的程序直接在 FLASH 中運(yùn)行，程序數(shù)據(jù)較少，一般直接放在 255 個(gè)寄存器中，因此可以直接讀寫內(nèi)部 4KB RAM 和外部擴(kuò)展的 32KBSRAM。根據(jù)這些思想，設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖2.23所示。
圖2.23 內(nèi)存遍歷測試程序流程圖
另外，在CYGNAL集成開發(fā)環(huán)境中TOOLS的Memory Fill->ExternalMemory 打開的內(nèi)存映射窗口中，修改某串口地址空間里的內(nèi)容，可以用示波器測量相應(yīng)串口芯片的片選信號(hào)，以便檢查各串口地址空間映射的正確性。
串口功能測試時(shí)，對于 4 個(gè) RS-232 串行通訊接口采用如圖2.24所示的方法調(diào)試。采用這種自環(huán)方法測試，實(shí)現(xiàn)簡單，故障檢測靈活。比如 RS-232 串口測試中，如果串口 4 的收發(fā)數(shù)據(jù)完全相同，則 4 個(gè)串口的收發(fā)功能完全正常。假設(shè)串口 4 的收發(fā)數(shù)據(jù)不同，就可以去查串口 1 的接收數(shù)據(jù)和串口 4 的發(fā)數(shù)據(jù)是否正常，然后查串口 2 的接收數(shù)據(jù)和串口 3 的發(fā)數(shù)據(jù)是否正常，從而定位哪個(gè)串口功能異常。
圖2.24 串口調(diào)試連線圖
串口通信的可靠性測試比較簡單，但卻是非常重要的項(xiàng)目。串口測試采用收發(fā)幀的方式，連續(xù)發(fā)送一千幀帶校驗(yàn)和的數(shù)據(jù)，測試各串口的收到情況。偶爾會(huì)有串口丟幀現(xiàn)象，表2.4為測試結(jié)果。
表2.4 串口測試
從數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，串口波特率越高，丟幀現(xiàn)象越明顯。另外，當(dāng)串口的緩沖區(qū)溢出門限設(shè)置得低一些，丟幀現(xiàn)象要少些。從這一現(xiàn)象可以看出，當(dāng)中斷源多時(shí)，C8051F020 有可能來不及響應(yīng)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀丟失。
2.5.2 飛行控制計(jì)算機(jī)的性能測試
四旋翼飛行器飛行控制計(jì)算機(jī)的性能測試是為了評(píng)估該飛行控制計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力、伺服放大性能、可靠性要求是否能滿足設(shè)計(jì)要求。飛行控制計(jì)算機(jī)的性能測試包括如下幾個(gè)方面：
1）浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算能力。
2）中斷響應(yīng)和管理能力。
浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算能力主要測試飛行控制程序中用到的常用數(shù)學(xué)函數(shù)的計(jì)算耗時(shí)情況。飛行控制程序中常用函數(shù)有開方 sqrt(x)，三角函數(shù)和反三角函數(shù)以及浮點(diǎn)乘除法。運(yùn)算能力測試時(shí)，采用C8051F020內(nèi)部定時(shí)器計(jì)時(shí)，Keril C51的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫，數(shù)據(jù)類型為float，并進(jìn)行多次計(jì)算求平均。采用內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)，運(yùn)算能力測試結(jié)果如表2.5所示。
表2.5 運(yùn)算能力測試
從上表可以看出，C8501F020的浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算能力不是很好，特別是比較復(fù)雜的函數(shù)，耗時(shí)特別多。另外需要注意的是，這些函數(shù)值計(jì)算時(shí)，不同的自變量的值，耗時(shí)差異很大，導(dǎo)致程序執(zhí)行周期振蕩較大。因此，在飛行控制程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量減少復(fù)雜函數(shù)的調(diào)用，或者采用查表的方式替代。
C8051F020 的中斷管理能力和中斷響應(yīng)速度對飛行控制數(shù)據(jù)采集影響很大。如果中斷響應(yīng)延遲較大，傳感器的數(shù)據(jù)來不及接收而被丟失掉。對于定時(shí)中斷，如果響應(yīng)來不及，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確。C8051F020支持22個(gè)中斷，兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，但是只有兩個(gè)外部中斷源、。中斷管理能力測試采用多中斷源的方法，同時(shí)打開2個(gè)外部中斷源、定時(shí)中斷和自身串口中斷等多個(gè)中斷。同時(shí)，將所有中斷源設(shè)為兩個(gè)級(jí)別，其中定時(shí)中斷為高優(yōu)先級(jí)，其它都為低優(yōu)先級(jí)。進(jìn)行多次測試求平均數(shù)，測試結(jié)果如表2.6所示。
表2.6 中斷管理能力測試
經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn) C8051F020 的中斷響應(yīng)速度較快，C8051F020 對中斷的管理能力相當(dāng)不錯(cuò)，多中斷源時(shí)，基本不會(huì)丟失中斷。測試過程中發(fā)現(xiàn)，C8051F020對中斷響應(yīng)也是很快的。在專門的中斷響應(yīng)延遲測試時(shí)，將定時(shí)中斷間隔設(shè)置到 級(jí)，還是來得及響應(yīng)。也就是說，如果沒有其它中斷正在執(zhí)行的