单片机在超小型无人飞行器控制系统中的应用

1、计算机应用电子技术 2004年第 10期 中国传感器 20单片机在超小型无人飞行器控制系统中的应用 *上海大学机械工程与自动化学院(200072 吉梅峰 蒋 蓁 田志辉摘 要 C8051是一款功能强劲的单片机,基于单片机 C8051F021设计超小型无人飞行器舵机控制及 数据采集系统是一种成本低廉、实现容易的方法,文章介绍了舵机控制系统的实现原理及 C8051的数 据采集方法并给出了该系统具体的软硬件设计,系统在飞行器多次试飞后,证明是实用的。 关键词 舵机控制 数据采集 陀螺滤波 遥控发射随着全球反恐进一步升级,无人机已经成为军事部 门、科研院所研究的热点,超小型无人飞行器是无人机 家族中特

2、征尺寸介于微型飞行器和小型无人机之间的机 种,它集中了小型机负载能力大和微型机成本低、操作 控制容易等优点,越来越受到研究人员的青睐。 C8051是一款功能强劲的单片机,将它运用在超小型无人飞行 器控制系统可实现控制舵机、传感器数据采集及与主控 计算机串口通信等功能。本文就超小型无人飞行器机型 特点和实际需要, 设计了基于 C8051F 单片机舵机控制和 传感器数据采集系统,这种方法制作经济、实现容易, 下文将介绍该系统的实现方法。1 总体设计和主要功能在无人飞行器控制系统中,需要多种传感器感知飞 行器状态, C8051单片机具有 8通道 12位 A/D转换器, 所以可对高度、空速压力传感器,

3、三轴角速率陀螺进行 A/D转换采集,采集到的数据通过标准 RS232串口传给 主控计算机。图 1所示为 C8051应用系统的总体设计。 而主控计算机对传上来的数据及其他传感器、 GPS 数据 进行处理经串口发送自主控制信号, C8051单片机系统接 收到信号后将解析出自主信息,计算出舵机控制量,然 后通过 C8051F021的 PCA 实现 16位 PWM 精确控制各个 舵机。由于超小型无人飞行器体积小、总量轻,飞行中 极易受环境干扰而破坏自主飞行,为了避免飞行事故, 就要求飞行器在紧急情况下能及时切换到遥控方式,所 以我们要求舵机控制系统能通过遥控发射机的开关通道 对飞行模式进行控制。 飞行

4、控制模式分为三种:PIC (RC 遥控控制,飞行器各控制通道均由操纵者人工遥控控制、 RPV/RC(操纵者只能使用 RC 发射机控制飞行器 方向舵,而速度、高度和飞行稳定由系统自动控制、 UAV (自主飞行控制模式,系统按照设定自动控制舵机 完成飞行任务。PC104主控计算机舵机电子技术 2004年第 10期计算机应用 中国传感器 21C8051F021单片机是完全集成的混合信号系统级芯片 (SoC , 具有与 8051兼容的高速 CIP-51内核, 与 MCS-51指令集完全兼容。 本系统用到如下特性:在系统、 全速、 非插入式调试接口;真正 12位可编程增益放大器的 ADC ;两路 UAR

5、T 串行接口; 5个 16位通用定时器;具 有 5个捕捉 /比较模块的可编程计数 /定时器阵列; 片内看 门狗定时器、 VDD 监视器和温度传感器等。 2.2 系统电源由于 C8051F021的工作电压在 3V 左右, 而其他外部 电路的工作电压大多为 5V 。 C8051F021使用耐 5V 电压 的输入结构, 因此可以将 5V 器件直接接到它的数字输入 引脚,而不会产生有害电流。但输出的最大电压 VDD 为 2.73.6V ,而舵机所需 电压为 5V ,为了满足 5V 的输出能力,要将端口引脚的 输出方式设置为“漏极开路”并将输出端通过一个上拉 电阻接到 5V 电源,单片机的逻辑“ 1”输

6、出将被提升到 5V ,如图 2所示。图 2 3V输入驱动 5V 输出2.3 数据采集单元无人飞行器中用到的传感器有:水平仪、 GPS 、三 轴角速率陀螺、高度空速压力传感器等,由于水平仪和 GPS 都是集成模块,它们可与主控计算机直接通信,所 以本系统只采集陀螺和压力传感器信息。 C8051F021单片 机有一个片内 12位 SAR ADC, 一个 9通道输入多路选择 开关和可编程增益放大器,该 ADC 工作在 100ksps 的最 大采样速率时可提供真正的 12位精度。 8通道模拟输入 通道和 12位的采集精度对超小型无人飞行器是足够了。 图 3给出了一轴角速率陀螺滤波及放大电路图,其他传

7、感器相似,要注意的一点是,传感器的输入单片机的电 压不能超过 3V 。 2.4 电子开关组电子开关选用 74LS157(四路 2选 1数据选择器, 74系列芯片选型方便、使用容易,对飞行模式控制通道 的切换只要对 74LS157的脚 1置高或低电平就可实现。 本系统使用两片 74LS157分别控制方向舵通道和升降舵、 滚转舵和油门舵通道。图 3 角速率陀螺滤波及放大电路图2.5 串口接收单元RS-232C 标准的电平采用负逻辑,规定 +3+15V之 间的任意电平为逻辑“ 0”电平,-3-15V 之间的任意 电平为逻辑 “ 1” 电平, 而 C8051输出为 TTL 电平, 所以 在通信时,必须

8、进行电平转换,以便与 RS-232C 标准的 电平匹配。 MAX3232芯片可以完成电平转换这一工作, 具体电路见图 2。3 软件设计控制系统软件采用模块化结构,由主程序、串口接 收模块、 PWM 模块、 脉宽识别模块、 电子开关切换模块 及数据采集模块等组成。 3.1 主程序完成所有常量、 变量和函数的声明, 初始化振荡器、 交叉开关和 GPIO 、 UART 、定时器、中断,并自动进入 模式切换查询等待状态。流程图如图 4所示。图 4 舵机控制软件主流程图3.2 PWM 模块PWM 模块由 C8051的 PCA 完成,将 PCA 模块配置 为高速输出方式,当 PCA 计数器 PCA0L 和

9、 PCA0H 的值 与该模块寄存器 PCA0CPL n 和 PCA0CPHn 中的常数值相 等时, CEXn 引脚上的逻辑电平发生一次跳变, 同时触发计算机应用电子技术 2004年第 10期 中国传感器 22一次中断,用这种方法能实现 16位的 PWM 功能。在上升沿状态,将 PWM 高电平计数值装入模块的 捕捉 /比较寄存器 PCA0CPL n 和 PCA0CPHn 中,在下降沿 状态, 将 0x0000装入 PCA0CPL n 和 PCA0CPHn 中, 在 CEXn 引脚上就可以得到 16位的 PWM 。 3.3 串口接收模块串口接收模块接收主控计算机发来的自主控制信 号, 然后对信号进

10、行处理, 解析出各舵机通道的位置量, 接着折算成 PWM 高电平计数值。串口采用中断接收方 式, 接收数据格式为:$<舵机序号 >#<舵机位置 >, 如 $5#137,我们把舵机位置分为 0256。 PWM 周期定为 20ms ,它的高电平范围在 12ms ,这样就很容易算出 PCA0CP 高电平计数值,例如,设舵机位置为 137,则 高电平计数值 =50302025613712165536=÷×+×(3.4 开关通道脉宽识别模块该模块通过定时器 T0定时中断, 由于开关通道脉宽 在 1ms 2ms 之间, 我们取定时初值为 25ì

11、;s, 每中断一次 判断一下遥控器开关通道接口 P2.0是否为高电平,是则 计数,这样就可通过计数值判断控制方式,如果数值为 小于 50则为遥控方式,小于 70则为半自主方式,其他 为自主方式。 3.5 电子开关切换模块该模块主要根据开关通道识别的结果对电子开关作 相应的控制,遥控方式使 P1.0=0、 P1.1=0打开遥控接收 通道, 关闭自主控制信号; 半自主方式使 P1.0=1、 P1.1=0打开方向通道遥控接收,开启其他通道自主控制信号; 自主方式使 P1.0=1、 P1.1=1关闭遥控接收通道,开启自 主控制信号。 3.6 数据采集模块该模块主要采集三轴角速率陀螺、高度空速压力传感器

12、信息,采集完后由串口发送到主控计算机。基准电 压为 2.5V , 程序采用查询方式对 ADC0进行操作。 ADC0 被配置为使用写 ADBUSY 作为转换启动源, 采集的电压 数据直接经 UART0发送到主控计算机进行处理。 软件流 程如图 5所示。图 5 数据采集软件流程图本文设计了一种基于 C8051单片机的超小型无人飞 行器舵机控制和数据采集系统,并实现通过遥控发射机 开关通道灵活切换飞行器飞行控制模式的功能,同时充 分利用 C8051F 单片机优越性能使飞行器舵机控制系统 达到了很好集成,降低了飞行器设计成本、减轻了其重 量。在飞行器控制系统中使用后,经多次试飞,稳定可 靠,完全满足要

13、求。参 考 文 献1 潘琢金,施国君. C8051Fxxx 高速 SOC 单片机原理及应用 M.北京:北京航空航天大学出版社, 20022 何立民. 从 Cygnal C8051F看 8位单片机发展之路 J. 单片机 与嵌入式系统应用. 2002,(5, 58改版启事本刊将从明年一月起全面改版,改版后的电子技 术将以全新的定位、 80页的容量、全彩印刷精美装帧 的形象面向广大读者。改版后,电子技术的内容将分为专题、设计、 技术和产品四大板块。专题板块奉献给读者的将是一系 列的分析报导性文章,文章将以专业化的眼光、独特的 视角和客观精准的分析,帮助读者全方位地了解业界情 况,包括行业发展、产业趋

14、势、技术走向、市场动态等, 核心栏目有“主题报导”、 “技术前瞻”和“市场综述” 等;设计板块既兼顾了本刊原有的应用性设计的风格, 又有所创新和突破,更加突出和强调对具体应用的指导 作用, 主要栏目有 “器件应用” 、 “显示器天地” 、 “电 源世界”、 “测量平台” 和“应用设计”等;技术板块 将特别注重实用性技术的推广与普及,重点栏目是“单 片机技术”、“存储空间”、“网络与通信”和“汽车 电子”;产品板块则将视点聚焦在具体产品上,为业界 人士提供产品的特点、 性能等详细情况, 栏目主要有 “消 费类电子”和“选购指导”。本刊明年上半年的编辑计 划请见第 61页。 全新的电子技术将给读者带来全新的收获。±±±±±±±±±±±±±±±±&#