小型无人直升机增稳试验机载系统A/D转换实现

　　0　引　　言

　　由于小型无人直升飞机具有的使用价值,目前世界主要发达国家都在积极进行研制。国外具有代表性的机型是日本雅马哈公司生产的RMAX。国内也有几家研究所和企业在研制无人直升飞机,国内一些院校也对无人直升机的遥控飞行和自主飞行进行了研究,都处于实验阶段[1-3]。昆明南天精密机电设备制作所经过多年研究,开发出了FG-10 B无人直升机,该机具有完全的自主知识产权,在昆明1 900 m海拔高度基础上,具有500 mn以上的使用上限,10 kg以上的载荷能力,这就为搭载多种机载航电设备和其他应用设备提供了实用平台[4]。然而,由于小型遥控直升机操作困难、遥控距离短,极大地限制了其应用。为解决这一问题,关键在于研制实用、可靠的增稳系统,实现水平姿态的自动平衡,将遥控直升机升级为无人直升机。

　　本文采用带8路10位A/D转换的STC12C5410单片机编程来实现机载系统俯仰倾斜姿态及方向信号采集,给出了直升机A/D转换C程序关键代码。同时本文还指出并纠正了宏晶科技“STC12C5410AD系列单片机器件手册”中的错误。

　　1　小型无人直升机研制的难点与增稳试验系统构建

　　1.1　小型无人直升机研制的难点

　　小型无人直升机研制的最大难点在于飞行姿态的自动稳定控制[5]。

　　直升机在飞行中,有六个空间自由度,其平衡都是由旋翼旋转产生的升力面的矢量分量和尾翼产生的力矩来进行控制,其控制难度远远大于固定翼飞行器[6]。在世界坐标系中,设X轴的正方向为飞行器向前的飞行方向, Z轴的正方向为向上的方向。空间飞行器在空间飞行时,有六个自由度,即沿X、Y、Z轴的平移运动和绕X、Y、Z轴的转动。

　　X轴的平移为向前向后飞行,Y轴平移为左右移动,而Z轴为上下移动。绕X轴的转动为横滚变化,绕Y轴的转动为俯仰变化,而绕Z轴的转动为方向变化。绕机体Z轴的转动已经采用锁定陀螺仪对尾桨产生的力矩进行控制,保证了稳定,而Z轴的平移平衡,由旋翼的升力和机体重力平衡,X、Y轴的轴向平行移动遥控起来难度不大。因此只要XY轴绕轴转动能够自动平衡,就能在很大程度上稳定直升机的整体平衡,从而大大减少操纵难度,所以应重点解决遥控直升机水平(XZ轴)姿态自动平衡控制问题。

　　为解决这一问题,可采用对优秀操纵手控制操纵进行模拟的方式,通过试验来确定控制模型的模糊算法,来实现对小型直升机的俯仰、倾斜自动增稳控制。要实现这一目的,需要对小型直升机的俯仰倾斜姿态进行遥测,对操纵手在发生倾斜误差(X轴向转动)、俯仰误差(Y轴向转动)时的操作进行遥测,以获取必要的数据进行分析[7]。