基于MSP430的舵机控制系统设计
张建鹏，刘世前，敬忠良
（上海交通大学航空航天学院，上海200240）
摘要：提出并实现了一种以MSP430F149单片机为硬件核心的某小型无人机舵机控制系统描述了系统的功能及硬件结构配置，给出了实时控制软件的功能模块及算法和流程图，并着重指出在软件实现过程中应注意的关键问题。实验结果表明此设计符合飞行控制器的实时性控制要求，可靠性高，具有广泛的应用价值。
关键词：无人机；舵机；MSP430F149,飞行控制
中图分类号：TM275；TM381 文献标志码：A 文章编号：1001-6848( 2010) 01-0046-04
0引 言
无人机是一种由动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器的简称。在无人机系统中，采用PWM波信号控制的舵机是重要的执行机构，它是无人机控制动作的动力来源。为便于系统扩展和升级[1.2]，在飞控系统中往往采用分布式策略，将舵机的控制部分作为一个独立单元进行设计，称为舵机控制系统。
传统产生PWM波的方法是通过大量的分立原件来实现的．所产生的脉冲频率和宽度往往不是很准确，很难做到对舵机的精确控制。另外，利用CPLD或FPGA产生PWM波已在很多场合得到应用，依靠CPLD或FPGA特有的并行处理能力和大量的1/0接口，可以同时控制几十甚至上百个舵机同时工作，但CPLD或FPGA生成PWM波时，并不具备事务处理能力，实际应用中还需要MCU配合工作，加之成本高，开发设备昂贵，极大的限制了它的应用范围。
由于单片机具有性能稳定、编程灵活、精度高、价格低廉等特点，用它产生PWM波在实际中得到了广泛应用。本文给出了一种新颖的利MSP430单片机利用自带的定时器产生PWM1j~[3.4]的方法，成本低，性能稳定，并成功应用于实践。
1总体介绍
飞行控制系统总体框架如图1所示，整个飞控系统是由飞控计算机、舵机控制系统、传感器系统、GPS、机载电源及地面站系统组成。在飞行过程中，无人机一方面通过传感器系统和GPS获得飞行姿态和航向的实时参数，并通过无线电传回地面；另一方面随时按收地面上传的遥控指令。以这些信息为基础，经过主控计算机控制律解算，按照一定协议输出控制指令到舵机控制系统[5,6]，再经由舵机控制系统输出相应的信号控制舵机的偏转，从而实现对无人机飞行姿态的控制。
2 舵机控制系统硬件设计
2.1系统硬件结构
由于无人机采用燃料电池作为能源，所以要求机载设备尽可能功耗低、体积小、重量轻，这样既可以降低损耗又能提高系统稳定性和抗干扰能力。基于以上思想，设计了以田公司的MSP430F149单片机[7，9]为核心的舵机控制系统，该系统主要由CPU控制单元、串口通信单元、脉冲信号处理单元、电源等硬件电路组成，系统结构如图2所示。
2.2舵机简介
1)舵机的构造与工作原理
舵机主要是由外壳、小型直流电动机、减速齿轮、位置检测器和控制电路板所构成。其工作原理如图3所示，其中，直流电动机作为驱动器产生动力源[10]，运动由减速齿轮减速，传递给输出轴和舵盘，在输出轴后端连接有电位计，用以检测当前位置，并将此值与驱动信号端口发送来的位置信号进行比较，通过控制电路，将差值放大并由电机执行操作，实现位置伺服[11]。
2)舵机的控制
舵机是无人机飞行控制的执行机构，也是本系统的控制对象，无人机一般装备有5个舵机，分别用来控制油门、副翼、升降舵、螺距和尾舵[12]。标准的舵机由一个宽度可调昀周期性方波脉冲信号即PWM波控制，以本系统采用的日本Futaba公司生产的S3003舵机为例，其脉冲周期为20 ms，中心脉宽为l 5 ms，对应0度，调节范围为±1 ms。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴角度相应发生- 90度到90度内的线性改变，并通过连杆拉动舵面运动，从而控制无人机的飞行姿态，舵机输入脉冲与舵偏角的对应关系如图4所示。
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