MSP430单片机在飞行器自动驾驶仪中的应用

ByGrith4

. Q( D8 ~0 ^5 c# d: x( y" U: Y* f. R摘要:为达到稳定飞行姿 态和操纵飞行器的目的以美国德州仪器( TI )公司的MSP430F149为核心,研制了一种无
人飞行器自动驾驶仪.由单片机对板载各传感器信号进行采集和处理,采用PID控制方式实现系统要求，
通过与地面站之间信息的交换实现自动/手动切换功能.飞行测试表明,可满足基本飞行要求.
关键词:MSP430F149; PID算法;传感器
无人飞行器是由控制设备进行自动驾驶的航空
器,以其造价低、用途广、适应性强和“零伤亡”的优势
迅猛发展,其适用范围已从军用领域不断拓宽至各行
& d  n% h' H" r0 q7 `, `" s8 ]各业.这种自动驾驶仪系统必须满足质量轻、稳定性
好、功耗低的要求,以保证在飞机携带有限重量电池的
情况下，具有更长的续航时间并具有一定的抗干扰能
力.为此,自动驾驶仪所采用的计算机必须具有体积
小、运算速度快、抗干扰能力强、功耗低等特点
MSP430系列单片机是由美国TI公司生产的一种超低
: Y9 [% A7 f  Z4 w功耗单片机，工作电压2.7 ~3.6 V,最小工作电流0.6
  l, k5 [! `" I2 CμA.而且,它具有两路UART接口可以与外界通信,有
8路12位A/D转换和多个可编程I/O接口供系统使.
用.本文即以MSP430 单片机为核心设计了一种低成
7 U- {2 J, i- d9 O" v本、高性能的自动驾驶仪,可直接降低无人飞行器的总
体成本,提高生产和使用效率,其应用前景十分
; A: D5 ]0 q6 T! Y广阔[1-4]
9 S* D( {$ ~- c# U7 g" ]# ~) D| 系统原理
自动驾驶仪是一-种精密仪器,需要获取飞机速度、
1 s  b( l, h1 Z) i0 `$ U
" [5 z$ g6 u/ m- R9 r* c9 V加速度等运动状态参数以及飞机飞行姿态和周围的大
0 n! h& c) C3 |; p, @  g$ G; X# t6 L气环境信息,经过计算处理,在没有人参与下控制操舵
  ?, G" I* @# j, X- e' a6 W0 `4 A机构运动,利用空气动力稳定或改变飞行姿态，以完成
/ U. Q4 S& ]: M0 \% L. _) l自动飞行并进一步完成某些特定任务.本文以两片
' W% o3 }, |4 M# I7 ~4 ~8 k0 hMSP430系列中的MSP430F149为核心控制器，配合气
+ u) L& j; q) s" v0 v6 x* R压传感器、加速度传感器.3轴速率陀螺以及全球定位
) K0 Q: _, ]( m. a系统( GPS )模块和数据传输模块等研制高性能的飞行
器自动驾驶仪[5].系统原理框图如图1所示.
+ p8 x" _: p. C  b, z- v7 Q
系统采用PID控制方法以及惯性导航和GPS导
航相结合的导航方式对无人机进行姿态稳定控制和航
2 ?' @. E3 I5 C* Q$ N* {迹控制.利用MSP430单片机的片上A/D转换接口,
3 d1 U) U/ A% w# K( x8 G单片机可以读取各传感器的数值,经过解算得到飞机
飞行速度、姿态以及位置等信息,从而构成闭环反馈.
同时,系统通过数据传输模块将这些参数发送回地面
站,供人员实时监控飞机状态以及对其飞行姿态进行
调整等.通过对惯性元件信号的解算，系统可以获得飞
行过程中飞行器的位置坐标,通过与GPS航迹的匹
配,达到导航的目的..
驾驶仪在工作过程中，如果被控制参数出现偏差，
比例控制项首先输出与偏差值成正比的控制量来减小
5 L1 }; d3 k0 X# }& ]偏差.对于控制对象响应快、参数变化范围小、被控量
& e* l/ Y+ K( G不允许有误差的系统,例如精度要求严格的迎角和倾
  H& m5 J) j, {; M斜角姿态控制系统，由于纯比例的控制作用不是非常
精确,因而会产生控制误差.为了消除控制误差,就必
须采用比例+积分(PI)控制方式.对于参数变化范围
大且不允许存在误差的控制对象,例如速度、高度、转
弯速率和航向控制系统,如果使用比例+积分的控制
方式,由于积分作用的延缓和负相位保持特性,将会使
' o0 }! X2 W8 _+ Y控制作用不及时,且超调量和振荡周期都比较大.在这
7 N& Q- [0 ~9 P! l  Y: C5 L+ B种情况下,就必须采用比例+积分+微分(PID)控制
方式.在系统参数出现偏差后,微分项首先输出-一个
与偏差变化速率成正比的控制量来抑制偏差的变化.
- N! h" w9 K! i$ N7 g偏差的变化速率大,微分项输出的控制量就大;偏差的
变化速率为零时,微分项的控制量输出也为零.由此可


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驾驶仪在工作过程中，如果被控制参数出现偏差，比例控制项首先输出与偏差值成正比的控制量来减小偏差