一种共轴式无人直升机的双余度姿态控制系统技术方案

一种共轴式无人直升机双余度姿态控制系统，它由串口通信模块、ＰＣＭ解码模块、ＡＤ采集模块、ＰＷＭ输出模块和ＣＰＵ控制模块组成，串口通信模块、ＰＣＭ解码模块、ＡＤ采集模块作为系统输入，由ＣＰＵ控制模块进行改进的数字ＰＩＤ控制，以ＰＷＭ脉冲的形式由ＰＷＭ输出模块输出，实现对后级大功率管的控制；它通过全数字化的，双余度的控制方式实现了对共轴式无人直升机的姿态控制，简化了硬件结构，降低了干扰，提高了控制灵活性、系统稳定性和响应速度。本实用新型专利技术的架构体系便于后期的系统维护、升级和改造，为同类型姿态控制系统的设计提供了一种可实施方案。同时，本实用新型专利技术中所涉及到的参数调试方法操作简单，大大提高了调试效率以及参数的精确度。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种飞机姿态控制系统，尤其涉及一种共轴式无人直升机的双 余度姿态控制系统，属于无人机控制

技术介绍
共轴式直升机的姿态控制系统主要用于改善飞行过程的稳定性和操作性，可由 模拟控制或数字控制两种方法实现。为了改善模拟控制中各部分电路耦合密切、调试复 杂、参数不准确、控制模式固定等缺点，本技术采用全数字控制。同时，采用数字 控制可以使系统具有良好的可继承性，且利于系统升级，提高了控制的灵活性和功能模 块的可重用性。由于直升机的稳定性很差，而驾驶员无法针对短周期运动进行频繁操作，所以 姿态控制系统是保证共轴式无人直升机飞行稳定的核心组件，其自身可靠性的重要性可 见一斑。为了降低飞行过程中的失控概率，本技术将双余度控制的思想运用到共轴 式无人直升机姿态控制系统的设计中，采用双CPU进行数字化控制，且实现了两者之间 的相互备份和实时监控，以及系统异常情况下的控制切换和平稳过渡。
技术实现思路
1、目的本技术的目的在于提供一种共轴式无人直升机的双余度姿态控制系统。它 同时适合于飞机和舵机姿态控制，根据位置给定值，以及位置、速度的采集值，通过数 字比例、积分、微分(PID)计算以脉宽调制(PWM)形式控制后级大功率管的工作状态， 实现飞机姿态控制。本技术采用全数字化控制，按照输入和输出要求，灵活多样地 确定控制模式；其采用的双余度控制体制，大大提高了姿态控制系统的可靠性。同时， 该参数调试方法可以方便地实现相关参数的调试和存储；通过此方法，无需改变本实用 新型的硬件和固件架构，即可根据控制需求确定多种陀螺、舵机的有效参数设计。2、技术方案见附图说明图1，本技术一种共轴式无人直升机双余度姿态控制系统，它是由串口通 信模块、脉冲编码调制(PCM)解码模块、AD采集模块、PWM输出模块和CPU控制模 块等部分组成的。这些功能模块全部由CPU调度，配合CPU的集成外设实现；它们之 间的逻辑关系是串口通信模块、PCM解码模块、AD采集模块作为系统输入，由CPU 控制模块进行改进的数字PID控制，以PWM脉冲的形式由PWM输出模块输出，在简单 的外围逻辑电路配合下，实现对后级大功率管的控制；同时，CPU控制模块的主要功能 还包括双CPU的相互监测、备份和切换，从而实现“双余度”控制；所述串口通信模块是由软件初始化并控制CPU的串口控制器(UART单元)实 现，该UART单元继承了传统51单片机的串口发送和接收结构；本技术利用RS422 电平标准的外围串口转换芯片实现CPU串口电平标准和外部传输电平标准的转换；并利用其中断服务程序对机载主控制计算机的数据进行处理；为了达到机载主控制计算机同 时控制本技术的多个实体的目的，并且减小误码率的产生，本技术设计了一种 能够实现多机通信的协议，如表1所示表1适用于多机通信的串口通信协议权利要求1. 一种共轴式无人直升机双余度姿态控制系统，其特征在于它是由串口通信模 块、PCM解码模块、AD采集模块、PWM输出模块和CPU控制模块部分组成的；它们之 间的逻辑关系是串口通信模块、PCM解码模块、AD采集模块作为系统输入，由CPU 控制模块进行改进的数字PID控制，以PWM脉冲的形式由PWM输出模块输出，在简单 的外围逻辑电路配合下，实现对后级大功率管的控制；同时，CPU控制模块的主要功能 还包括双CPU的相互监测、备份和切换，从而实现“双余度”控制；所述串口通信模块是由软件初始化并控制CPU的串口控制器即UART单元实现， 该UART单元继承了传统51单片机的串口发送和接收结构；本系统利用RS422电平标准 的外围串口转换芯片实现CPU串口电平标准和外部传输电平标准的转换；所述PCM解码模块是由CPU的外部中断和定时器配合实现，用于对手持无线电 遥控器即Futaba发送的PCM脉冲的接收与解码量化；本系统通过将定时器配置为外部中 断触发计数的模式，在外部中断的下降沿中断服务程序中获得PCM脉冲测量值；该PCM 解码模块与串口通信模块组成了本系统的给定值输入模块；所述AD采集模块是由CPU的集成模数转化即ADC单元配合外围差分电路实现； 该ADC单元的采集功能完全在CPU内部实现，量化数据直接被CPU的控制模块使用；所述PWM输出模块是由CPU的集成可编程的计数器阵列即PCA单元组成，配合 外围协调电路，以电流驱动的形式控制后级大功率管系统；该PCA单元具有六路独立的 捕捉/比较模块和输出，并共用一个计数/定时器；所述CPU控制模块是通过模块化的方式加以区分与设计，它包括系统工作状态 协调模块、PID控制模块、改进的数字PID计算模块和双余度控制模块。专利摘要一种共轴式无人直升机双余度姿态控制系统，它由串口通信模块、PCM解码模块、AD采集模块、PWM输出模块和CPU控制模块组成，串口通信模块、PCM解码模块、AD采集模块作为系统输入，由CPU控制模块进行改进的数字PID控制，以PWM脉冲的形式由PWM输出模块输出，实现对后级大功率管的控制；它通过全数字化的，双余度的控制方式实现了对共轴式无人直升机的姿态控制，简化了硬件结构，降低了干扰，提高了控制灵活性、系统稳定性和响应速度。本技术的架构体系便于后期的系统维护、升级和改造，为同类型姿态控制系统的设计提供了一种可实施方案。同时，本技术中所涉及到的参数调试方法操作简单，大大提高了调试效率以及参数的精确度。文档编号G05D1/08GK201796292SQ20102017864公开日2011年4月13日 申请日期2010年4月28日 优先权日2010年4月28日专利技术者吴智杰, 王修桐, 胡继忠, 赵琦 申请人:北京航空航天大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种共轴式无人直升机双余度姿态控制系统，其特征在于：它是由串口通信模块、ＰＣＭ解码模块、ＡＤ采集模块、ＰＷＭ输出模块和ＣＰＵ控制模块部分组成的；它们之间的逻辑关系是：串口通信模块、ＰＣＭ解码模块、ＡＤ采集模块作为系统输入，由ＣＰＵ控制模块进行改进的数字ＰＩＤ控制，以ＰＷＭ脉冲的形式由ＰＷＭ输出模块输出，在简单的外围逻辑电路配合下，实现对后级大功率管的控制；同时，ＣＰＵ控制模块的主要功能还包括双ＣＰＵ的相互监测、备份和切换，从而实现“双余度”控制；　　所述串口通信模块是：由软件初始化并控制ＣＰＵ的串口控制器即ＵＡＲＴ单元实现，该ＵＡＲＴ单元继承了传统５１单片机的串口发送和接收结构；本系统利用ＲＳ４２２电平标准的外围串口转换芯片实现ＣＰＵ串口电平标准和外部传输电平标准的转换；　　所述ＰＣＭ解码模块是：由ＣＰＵ的外部中断和定时器配合实现，用于对手持无线电遥控器即Ｆｕｔａｂａ发送的ＰＣＭ脉冲的接收与解码量化；本系统通过将定时器配置为外部中断触发计数的模式，在外部中断的下降沿中断服务程序中获得ＰＣＭ脉冲测量值；该ＰＣＭ解码模块与串口通信模块组成了本系统的给定值输入模块；　　所述ＡＤ采集模块是：由ＣＰＵ的集成模数转化即ＡＤＣ单元配合外围差分电路实现；该ＡＤＣ单元的采集功能完全在ＣＰＵ内部实现，量化数据直接被ＣＰＵ的控制模块使用；　　所述ＰＷＭ输出模块是：由ＣＰＵ的集成可编程的计数器阵列即ＰＣＡ单元组成，配合外围协调电路，以电流驱动的形式控制后级大功率管系统；该ＰＣＡ单元具有六路独立的捕捉／比较模块和输出，并共用一个计数／定时器；　　所述ＣＰＵ控制模块：是通过模块化的方式加以区分与设计，它包括：系统工作状态协调模块、ＰＩＤ控制模块、改进的数字ＰＩＤ计算模块和双余度控制模块。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴智杰，赵琦，王修桐，胡继忠，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：实用新型
国别省市：11