基于MSP430的舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
張建鵬，劉世前，敬忠良
（上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院，上海200240）
摘要：提出并實(shí)現(xiàn)了一種以MSP430F149單片機(jī)為硬件核心的某小型無(wú)人機(jī)舵機(jī)控制系統(tǒng)描述了系統(tǒng)的功能及硬件結(jié)構(gòu)配置，給出了實(shí)時(shí)控制軟件的功能模塊及算法和流程圖，并著重指出在軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中應(yīng)注意的關(guān)鍵問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此設(shè)計(jì)符合飛行控制器的實(shí)時(shí)性控制要求，可靠性高，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；舵機(jī)；MSP430F149,飛行控制
中圖分類號(hào)：TM275；TM381 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-6848( 2010) 01-0046-04
0引 言
無(wú)人機(jī)是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、機(jī)上無(wú)人駕駛、可重復(fù)使用的航空器的簡(jiǎn)稱。在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中，采用PWM波信號(hào)控制的舵機(jī)是重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它是無(wú)人機(jī)控制動(dòng)作的動(dòng)力來(lái)源。為便于系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)[1.2]，在飛控系統(tǒng)中往往采用分布式策略，將舵機(jī)的控制部分作為一個(gè)獨(dú)立單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，稱為舵機(jī)控制系統(tǒng)。
傳統(tǒng)產(chǎn)生PWM波的方法是通過(guò)大量的分立原件來(lái)實(shí)現(xiàn)的．所產(chǎn)生的脈沖頻率和寬度往往不是很準(zhǔn)確，很難做到對(duì)舵機(jī)的精確控制。另外，利用CPLD或FPGA產(chǎn)生PWM波已在很多場(chǎng)合得到應(yīng)用，依靠CPLD或FPGA特有的并行處理能力和大量的1/0接口，可以同時(shí)控制幾十甚至上百個(gè)舵機(jī)同時(shí)工作，但CPLD或FPGA生成PWM波時(shí)，并不具備事務(wù)處理能力，實(shí)際應(yīng)用中還需要MCU配合工作，加之成本高，開(kāi)發(fā)設(shè)備昂貴，極大的限制了它的應(yīng)用范圍。
由于單片機(jī)具有性能穩(wěn)定、編程靈活、精度高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，用它產(chǎn)生PWM波在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用。本文給出了一種新穎的利MSP430單片機(jī)利用自帶的定時(shí)器產(chǎn)生PWM1j~[3.4]的方法，成本低，性能穩(wěn)定，并成功應(yīng)用于實(shí)踐。
1總體介紹
飛行控制系統(tǒng)總體框架如圖1所示，整個(gè)飛控系統(tǒng)是由飛控計(jì)算機(jī)、舵機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、GPS、機(jī)載電源及地面站系統(tǒng)組成。在飛行過(guò)程中，無(wú)人機(jī)一方面通過(guò)傳感器系統(tǒng)和GPS獲得飛行姿態(tài)和航向的實(shí)時(shí)參數(shù)，并通過(guò)無(wú)線電傳回地面；另一方面隨時(shí)按收地面上傳的遙控指令。以這些信息為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)主控計(jì)算機(jī)控制律解算，按照一定協(xié)議輸出控制指令到舵機(jī)控制系統(tǒng)[5,6]，再經(jīng)由舵機(jī)控制系統(tǒng)輸出相應(yīng)的信號(hào)控制舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)的控制。
2 舵機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
由于無(wú)人機(jī)采用燃料電池作為能源，所以要求機(jī)載設(shè)備盡可能功耗低、體積小、重量輕，這樣既可以降低損耗又能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力�；谝陨纤枷�，設(shè)計(jì)了以田公司的MSP430F149單片機(jī)[7，9]為核心的舵機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由CPU控制單元、串口通信單元、脈沖信號(hào)處理單元、電源等硬件電路組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.2舵機(jī)簡(jiǎn)介
1)舵機(jī)的構(gòu)造與工作原理
舵機(jī)主要是由外殼、小型直流電動(dòng)機(jī)、減速齒輪、位置檢測(cè)器和控制電路板所構(gòu)成。其工作原理如圖3所示，其中，直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生動(dòng)力源[10]，運(yùn)動(dòng)由減速齒輪減速，傳遞給輸出軸和舵盤(pán)，在輸出軸后端連接有電位計(jì)，用以檢測(cè)當(dāng)前位置，并將此值與驅(qū)動(dòng)信號(hào)端口發(fā)送來(lái)的位置信號(hào)進(jìn)行比較，通過(guò)控制電路，將差值放大并由電機(jī)執(zhí)行操作，實(shí)現(xiàn)位置伺服[11]。
2)舵機(jī)的控制
舵機(jī)是無(wú)人機(jī)飛行控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也是本系統(tǒng)的控制對(duì)象，無(wú)人機(jī)一般裝備有5個(gè)舵機(jī)，分別用來(lái)控制油門(mén)、副翼、升降舵、螺距和尾舵[12]。標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)由一個(gè)寬度可調(diào)昀周期性方波脈沖信號(hào)即PWM波控制，以本系統(tǒng)采用的日本Futaba公司生產(chǎn)的S3003舵機(jī)為例，其脈沖周期為20 ms，中心脈寬為l 5 ms，對(duì)應(yīng)0度，調(diào)節(jié)范圍為±1 ms。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸角度相應(yīng)發(fā)生- 90度到90度內(nèi)的線性改變，并通過(guò)連桿拉動(dòng)舵面運(yùn)動(dòng)，從而控制無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)，舵機(jī)輸入脈沖與舵偏角的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。
| 
