新型超小型无人飞行器舵机控制系统设计

冯伟，龚振邦，罗均，高同跃

(上海大学，上海200072)

摘要：给出了一种基于C8051F单片机和MAX II CPID设计的超小型无人飞行器舵机控制系统，实现了多路脉宽调制(PWM)控制信号的采样和输出，通过采样一路PWM信号实现自控与遥控的切换，并利用串行口与上位机通讯。系统具有成本低廉、安全可靠、实现容易的特点，飞行控制系统的一部分在飞行器多次试飞后，证明是安全实用的。

关键词：舵机控制；C8051F单片机；CPLD

中图分类号：TM33  文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2008)07-0053-03

 

 

    O引  言

 

    舵机控制系统是飞行控制计算机和舵机之间的接口，它采集接收机多路PWM信号，与上位机进行通讯，产生控制舵机的多路PwM信号，并实现遥控和自控间的控制模式切换功能[1]。文献[2、3]中给出了各自的利用单片机来实现上述功能的方法。为了改进使用器件过多或编程复杂或单片机负荷大等缺点，文献[4、5]加入r电子开关。由于单片机抗干扰能力比较差，而飞机电磁环境又比较恶劣，为了在单片机失效的情况下仍能够实现遥控和自控之间的切换，文献[1]加入了滤波器，增加了冗余，进一步保证飞行器的安全，避免了由于舵机控制器失控而发生坠机的危险。

 

    本文给出了一种基于C8051F单片机和MAX II CPLD设计的超小型无人飞行器舵机控制系统，具有成本低廉、安全可靠、实现容易的特点，可在线编程并成功应用于实践。

 

    1 控制系统硬件设计

 

    1.1舵机

 

    舵机是一个典型闭环反馈系统，主要包括控制电路小型直流电动机、齿轮组及比例电位器。减速齿轮组由电动机驱动，其终端(输出端)带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电动机正向或反向转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为零，从而达到精确定位的目的[6,7]。舵机的控制信号为周期是50 Hz的PWM信号，其中脉冲宽度从O.5～2.O ms，相对应舵盘的位置为O～180°，呈线性变化。

 

    1.2硬件总体设计

 

    在无人飞行器控制系统中，舵机控制系统被分离出来作为独立模块和舵机一起由单独电压供电，以避免内部信号干扰。无人飞行器接收机一般具有五个遥控通道，分别用来控制五个舵机。另有三个备用通道，可输出遥控发射机的开关量，可用来切换控制方式。

 

    如图1所示，接收机的五个遥控通道和三个备用通道与CPLD相连，分别输入舵机控制信号5和切换控制方式信号6；CPLD根据得到的舵机控制信号5和切换控制方式信号6，输出舵机控制信号4和模式切换信号3到单片机的信号采样端口。单片机通过串行口与上位机通讯，将舵机控制信号5和切换控制方式信号6的信息发送给上位机，同时从上位机得到舵机控制信息后，输出舵机控制信号2到CPLD中，CPLD根据输入的信号2、5、6，输出五路舵机控制信号8，经过低通滤波器后，得到五路舵机控制信号7，分别输出到五个舵机。低通滤波器共有五路，各由一个电阻和一个电容组成，分别对应五路舵机控制信号8进行滤波。CPLD采用有源晶振提供时钟信号，并输出时钟信号1作为单片机的时钟信号。

 

 

    1.3 CPU和CPLD单元

 

    silicon Lahs公司的C8051F系列单片机是完全集成的混合系统级芯片，具有与8051兼容的高速内核，体积小、功能多，且调试方便[8]。在本设计中，可编程计数器阵列(PCA)模块读取接收机信号脉冲宽度，定时器T2、T3用于控制舵机的PWM信号，集成的硬件循环冗余校验(CRC)模块用于进行通讯数据校验。利用其集成的片内资源，使得软硬件设计大大简化，系统可靠性极大提高。

 

    Altera公司推出的MAx II器件系列具有低功耗、易用性、实时在系统可编程等优点。本设计选用了EPM240，在其中编程实现了电子开关和切换控制等单元。对不用的输入端接地，并设置为高阻状态。为了消除输出信号产生的毛