無人機舵機控制系統的硬件設計與實現

楊林河+鄭欽丞

無人機舵機是由直流電機、舵機控制器、多個傳感器和必要的機械支撐機構組成的一套自動控制系統。作為飛行控制中心和舵機之間的信息連接橋梁，它能夠通過人工在線編程，實現對無人飛行器多級的伺服控制，具有制作成本低、性能高、安全穩定等優點。文章首先對無人機舵機控制系統進行了簡單概述，隨后對控制系統中各個部分的硬件組成進行了詳細介紹，最后通過系統的軟件設計，對其功能的實現進行了分析。

【關鍵詞】無人機舵機 控制系統 硬件組成 軟件設計

1 無人機舵機控制系統概述

目前，市面上流行的舵機形狀和種類十分豐富，但是舵機內部的主要功能模塊基本相同，其主要的組成和功能如下。

舵機控制器是整個無人機控制系統的中心，內部有中央控制器、數據存儲器、驅動模塊等。中央控制器的主板是單片機，可以人工寫入語言程序，完成定向控制。通常情況下，舵機的主要運行流程是：首先，操作人員啟動單片機，并運行相應的控制程序；單片機將程序指令以二進制信號形式發送給上位機，上位機將電信號轉化為一舵偏角指令，經過單片機的各個數據串口，傳送到舵機的調節單元。其次，調節單元將接受到的偏角指令與PWM進行對比，將對比結果定義為A；隨后調節單元測量舵機實際轉速，當轉速大于系統設定值時，將超出量定義為B；最后檢測整個系統的實際電流，所得結果輸出給PWM，定義為C。將上述測定結果輸入到無刷直流電機的HALL傳感器中，生成對應的霍爾信號HA、HB、HC。最后，電機接受霍爾信號，并驅動電動機轉動，減速器輸出驅動舵面。系統運作流程如圖1所示。

2 舵機控制器的硬件組成

2.1 主控芯片

主控芯片采用Atmel公司制造的COR-M3型CPU，也是目前無人機舵機控制系統中應用最為廣泛的一種主控芯片，其主要特點有：

（1）采用32位集成系統，最高工作頻率可達72MHz，存儲容量可達512KB，數據庫內能夠存儲海量編程語言，能夠實現豐富的系統操作。

（2）芯片自帶UART，并且設置兩個通行串口，能夠同時對不同的上位機進行操作，保證了無人機舵機控制系統的持續運行。另外，兩個通行串口相互獨立，便于內部數據的傳遞，提高了控制系統的工作效率。

（3）芯片上設置中斷源，當舵機控制系統啟動報警器后，中斷源能夠及時響應，并調用數據庫中的程序質量，處理突發問題，提高了系統運行的穩定性。

主控芯片集成了整個控制系統的絕大多數控制程序，能夠完成電流反饋、信息處理、編程控制等多項功能。另外，COR-M3型CPU還具有自動保存功能，當系統出現故障時，能夠及時生產故障診斷文件，并存在在數據庫中，避免今后出現相同的問題。

2.2 無刷電機

普通的直流電機不能將舵機的旋轉角度信息反饋給控制單元，因此也就不能實現對無人機舵機的有效控制。無刷電機能夠接受主控芯片的控制信號，并在一定角度內持續轉動，為整個無人機控制系統提供持續的電流。本文研究所選用的無刷電機為MAXII系列的EPM-220，該器件具有工作電壓低、反應靈敏、可在線編程等特點，能夠通過更改程序指令，實現對電子開關的動作控制，從而確保了整個舵機系統電機轉動的穩定性。與傳統的直流電機相比，大大降低了舵機CPU的功率損耗。

2.3 功率驅動

功率驅動電路是控制電路中的主要組成部分，本次研究選用的驅動電路為MSK-401，其應用優勢主要有電壓負載大、輸出電流高，能夠大大簡化舵機控制系統的電路結構。無論是使用效率還是后期維護，都具有顯著的優越性。另外，考慮到舵機控制系統運行中對電壓的輸出穩定性要求較多，功率驅動電路還外加整流橋和穩壓設備，能夠確保舵機控制系統得到持續、穩定的電壓輸出。

2.4 信號檢測

信號實時反饋是無人機舵機控制功能發揮的重要因素，從系統功能上來看，舵機控制系統所產生的反饋信號主要包括三類：舵面位置信號、無刷電機的電流、電機轉速。舵機主控芯片通過收集、整理三類型號，生產相應的動作指令，確保了控制系統能夠準確無誤的完成操作指令。因此，在舵機控制系統的硬件設計過程中，必須加強內部控制信號的檢測，一方面要提高反饋信號的精確度，另一方面則要保證信號反饋的及時性。

2.5 ADC轉換電路

舵機控制系統的轉換電路中設置有4個單口雙向通道，每個ADC電路均采用集成模塊，以保證電路運行的穩定性。四個單口雙向通道均有不同的功能，一號通道主要用于電壓信號的收集；二號通道主要用于電流信號的收集；三號通道負責對舵機控制系統的模擬信號進行控制；四號通道主要用于檢測電位器的實時電壓，當瞬時電壓升高時，及時啟動保護開關，避免電路燒毀。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計是控制系統的重要組成部分，合理組織軟件結構可提高可讀性、可移植性和可擴展性等問題。設計的軟件應盡量使各個功能模塊獨立，這樣有利于系統軟件的修改與調試。舵機控制系統的軟件主要包括以下幾個功能模塊：數據采集和通信模塊、控制算法模塊、PWM產生模塊以及各種管理監測模塊。其中，數據通信模塊主要涉及CAN總線數據的接收和發送，數據采集處理包括舵面位置、電機電流以及參考電壓的采集處理，PWM模塊包括輸出PWM波和獲取脈沖編碼器的讀數等。

參考文獻

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作者單位

禹州市第一高級中學 河南省禹州市 461670