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- M# G& e- N& \+ y* F, g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5 c) f/ h c7 S' I; l
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，, u+ e& b- D: |. U+ t! b7 P" d- q
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.+ E% z& x: H2 B) x2 P
关键词:MSP430F149; PID算法;传感器. _+ J* C: t! T
无人飞行器是由控制设备进行自动驾驶的航空, P/ _! a1 A. A; ]1 i. Q# p
器,以其造价低、用途广、适应性强和“零伤亡”的优势
9 }9 G) \( I, E# R' u迅猛发展,其适用范围已从军用领域不断拓宽至各行2 a' |9 o- o: u4 w# t @; L
各业.这种自动驾驶仪系统必须满足质量轻、稳定性, o% n" C7 A0 Y' j U% A+ }. Z
好、功耗低的要求,以保证在飞机携带有限重量电池的
- M: m7 Q) V; |/ U6 L% j情况下，具有更长的续航时间并具有一定的抗干扰能
c& S: ^% E, _! I力.为此,自动驾驶仪所采用的计算机必须具有体积
; D2 s' M9 K4 h6 n小、运算速度快、抗干扰能力强、功耗低等特点+ w1 M- i4 V: Q3 t; }4 N5 y& d! V
MSP430系列单片机是由美国TI公司生产的一种超低
; j3 X- W- t1 t- A/ G- d ^功耗单片机，工作电压2.7 ~3.6 V,最小工作电流0.67 E4 i4 x. k1 j1 |$ {
μA.而且,它具有两路UART接口可以与外界通信,有
8 R3 K% `5 z5 t+ I+ L9 b8路12位A/D转换和多个可编程I/O接口供系统使.7 Z+ y0 J9 p4 T. \/ o2 L
用.本文即以MSP430 单片机为核心设计了一种低成! Z* V& D X1 a' E
本、高性能的自动驾驶仪,可直接降低无人飞行器的总
1 }2 D; w! s9 ?: Z体成本,提高生产和使用效率,其应用前景十分+ f4 U" h' Q5 _/ |/ Y4 M8 {" {
广阔[1-4]: J# ?. e, }+ e* }4 I; |! z
| 系统原理. F0 w m3 `( i0 }9 N: W; {; j
自动驾驶仪是一-种精密仪器,需要获取飞机速度、
, `0 G9 L$ u/ O" }3 I- X, P
1 Z. n; r( J4 Z, e加速度等运动状态参数以及飞机飞行姿态和周围的大( @, F, m$ y" J' I* b
气环境信息,经过计算处理,在没有人参与下控制操舵 g; G L* I6 |6 v; f3 b, b
机构运动,利用空气动力稳定或改变飞行姿态，以完成7 s& `5 Z4 L& C7 M1 J
自动飞行并进一步完成某些特定任务.本文以两片9 K! A4 @5 H3 c* L% q b# F
MSP430系列中的MSP430F149为核心控制器，配合气
4 u6 }+ R! q# A! ]" x压传感器、加速度传感器.3轴速率陀螺以及全球定位6 S5 m. I. o/ u! A) c% h1 T u
系统( GPS )模块和数据传输模块等研制高性能的飞行4 O5 N5 e# ~7 M, i8 G9 P, G
器自动驾驶仪[5].系统原理框图如图1所示. }# O9 H' q. F1 X+ U
0 W5 v5 U+ `, v) I' E6 A" c
系统采用PID控制方法以及惯性导航和GPS导+ K! F' S( p! p6 G
航相结合的导航方式对无人机进行姿态稳定控制和航
1 V9 M: d' C8 d7 M$ b( b迹控制.利用MSP430单片机的片上A/D转换接口,
+ d$ v# n7 u9 L% c4 O4 h, v单片机可以读取各传感器的数值,经过解算得到飞机
$ n3 n8 P& \! M% U飞行速度、姿态以及位置等信息,从而构成闭环反馈.
4 M0 z7 m1 [- ]同时,系统通过数据传输模块将这些参数发送回地面9 \% E' P4 s6 e) v
站,供人员实时监控飞机状态以及对其飞行姿态进行' l7 ~1 j) A% C7 m/ ?3 ?0 g, \
调整等.通过对惯性元件信号的解算，系统可以获得飞
7 i, n5 A \2 D9 e3 W行过程中飞行器的位置坐标,通过与GPS航迹的匹
5 Y1 B7 \& U1 S7 Q4 L配,达到导航的目的..
% O8 c) @* X) l, A! ` w驾驶仪在工作过程中，如果被控制参数出现偏差，* y% L8 p/ |: M: Z" e9 E6 \. R: m
比例控制项首先输出与偏差值成正比的控制量来减小" D1 g6 N4 S6 p' p4 o
偏差.对于控制对象响应快、参数变化范围小、被控量
0 I- s7 Q( a' ~/ c, i! O# x不允许有误差的系统,例如精度要求严格的迎角和倾, N" s2 [# C& [% N9 Q& r
斜角姿态控制系统，由于纯比例的控制作用不是非常! T5 t/ }: K) U, x4 ?
精确,因而会产生控制误差.为了消除控制误差,就必
9 v, s. H& J$ u p须采用比例+积分(PI)控制方式.对于参数变化范围3 ?6 j( j. B, l) Z! y: ]
大且不允许存在误差的控制对象,例如速度、高度、转1 G" a8 ]! N1 M5 r' ~
弯速率和航向控制系统,如果使用比例+积分的控制
Q' @% x. P+ r6 l方式,由于积分作用的延缓和负相位保持特性,将会使
) V( c+ m; W, k% ]5 Z控制作用不及时,且超调量和振荡周期都比较大.在这* N; N9 f$ h H
种情况下,就必须采用比例+积分+微分(PID)控制
3 b3 E6 h/ |' S. e方式.在系统参数出现偏差后,微分项首先输出-一个
2 ` _( j9 ?$ p/ N' k6 U! n4 T与偏差变化速率成正比的控制量来抑制偏差的变化.
9 a/ Y% a& i0 V9 d; t2 \偏差的变化速率大,微分项输出的控制量就大;偏差的7 B! U' w% ?8 N i1 F* D w' I
变化速率为零时,微分项的控制量输出也为零.由此可5 B; U. U4 g& j: w) r1 d/ q' N5 y
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, _9 X# U: Z# J6 g' V5 K9 L
6 k% D, f4 I8 Z4 d: c附加下载：
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发表于 2020-5-11 10:53
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