在zai無wu人ren機ji中zhong，飛fei控kong係xi統tong是shi主zhu要yao組zu成cheng部bu分fen，而er姿zi態tai增zeng穩wen控kong製zhi則ze是shi對dui無wu人ren機ji順shun利li執zhi行xing各ge項xiang任ren務wu的de有you效xiao方fang法fa。本ben文wen以yi實shi際ji應ying用yong為wei背bei景jing
，詳xiang細xi介jie紹shao了le基ji於yu三san軸zhou陀tuo螺luo和he傾qing角jiao傳chuan感gan器qi構gou成cheng全quan姿zi態tai增zeng穩wen控kong製zhi係xi統tong的de硬ying件jian實shi現xian及ji軟ruan件jian設she計ji，並bing將jiang其qi運yun用yong在zai某mou型xing無wu人ren機ji中zhong
，針zhen對dui係xi統tong中zhong飛fei行xing姿zi態tai控kong製zhi的de的de流liu程cheng和he內nei環huan姿zi態tai控kong製zhi的de規gui律lv進jin行xing了le詳xiang細xi的de分fen析xi與yu研yan究jiu。經過百餘次試飛

，基於三軸陀螺和傾角傳感器構成的姿態增穩控製係統，不僅滿足了現階段任務要求，還達到了良好的效果，為同類無人機的開發與研製提供了一套行之有效的方法。

 

 

由陀螺和傾角傳感器構成全姿態增穩控製回路。陀螺測量得到的角速度信息用作增穩反饋控製，使飛機操縱起來變的更“遲鈍”一yi些xie

，從cong而er利li用yong傾qing角jiao傳chuan感gan器qi測ce得de飛fei機ji橫heng滾gun角jiao和he俯fu仰yang角jiao。然ran後hou將jiang陀tuo螺luo測ce得de的de角jiao速su率lv信xin息xi和he傾qing角jiao傳chuan感gan器qi測ce得de的de姿zi態tai角jiao進jin行xing捷jie聯lian運yun算suan，得de到dao融rong合he後hou的de姿zi態tai信xin息xi。這zhe種zhong較jiao為wei複fu雜za的de捷jie聯lian算suan法fa可ke使shi姿zi態tai精jing度du得de到dao很hen大da提ti高gao。

 

 

無人機姿態增穩控製屬於內回路控製，它包括姿態保持與控製
、速度控製等模式。內回路控製是在以三軸陀螺和傾角傳感器獲取無人機飛行姿態的基礎上
，通過對升降舵、方向舵的控製，完成飛行姿態的穩定與控製。內回路控製作為飛行控製的核心回路
，也是飛行高度、航跡等外回路控製的基礎。外回路控製是以GPS的位置、航向信號
、高度傳感器的氣壓高度信號為基準的，它通過導航控製方法計算出飛行器的預定航線和實際航線。

 

無(wu)人(ren)機(ji)內(nei)回(hui)路(lu)控(kong)製(zhi)作(zuo)為(wei)外(wai)回(hui)路(lu)控(kong)製(zhi)的(de)基(ji)礎(chu)
，對(dui)其(qi)能(neng)否(fou)穩(wen)定(ding)飛(fei)行(xing)起(qi)著(zhe)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)。該(gai)係(xi)統(tong)中(zhong)，內(nei)回(hui)路(lu)是(shi)由(you)三(san)軸(zhou)陀(tuo)螺(luo)和(he)傾(qing)角(jiao)傳(chuan)感(gan)器(qi)構(gou)成(cheng)的(de)姿(zi)態(tai)增(zeng)穩(wen)控(kong)製(zhi)回(hui)路(lu)。主(zhu)要(yao)由(you)主(zhu)控(kong)製(zhi)單(dan)片(pian)機(ji)、A／D采樣芯片、三軸陀螺儀和傾角傳感器組成。主控製單片機通過SPI串行總線與A／D采樣芯片相連，通過A／D采cai樣yang芯xin片pian獲huo得de三san軸zhou陀tuo螺luo儀yi的de角jiao速su率lv與yu傾qing角jiao傳chuan感gan器qi的de橫heng滾gun角jiao和he俯fu仰yang角jiao，然ran後hou進jin行xing姿zi態tai信xin息xi融rong合he


，得de到dao無wu人ren機ji俯fu仰yang和he橫heng滾gun的de姿zi態tai信xin息xi。主zhu要yao接jie口kou連lian接jie情qing況kuang如ru圖tu1所示。

 

 

圖l中

，AD7888是一款高速率
、低功耗的12位模擬數字轉換器，能達到125 KSPS的傳輸速率，擁有8路模擬輸入通道。為片選引腳，該引腳有兩個作用，即啟動AD7888轉換器和製定串行數據的轉移
，與單片機引腳PB0（）相連。SCLK為串行時鍾輸入引腳，通過外接單片機ATmegal28引腳 PBl（SCK）提供串行時鍾信號。DIN為邏輯數據輸入端，DOUT為邏輯數據輸出端，分別與ATmegal28的引腳PB2（MOSI）和 PB3（MISO）相連。

 

外部基準電壓的範圍是Vref～VDD（Vref=1．2 V）。為了獲得穩定的基準電壓，采用由TL431組成基準電壓電路。德州儀器公司（TI）生產的TL431是一個有良好熱穩定性能的三端可調分流基準源。它的輸出電壓用電阻R2和R3就可以設置到從Vref=2．5 V到Vref=36 V範圍內的任何值。

 

單片機ATmegal28與AD7888通過串行通信接口SPI相連



，分別配置為主機和從機。SPI總線允許ATmegal28與外設之間進行高速的同步數據傳輸。

 

三軸陀螺主要用來測量無人機在飛行過程中俯仰角、橫滾角和偏航角的角速度，並根據角速度積分計算角度的改變。該係統中采用日本鬆下公司的EWTS82（以下簡稱S82），其原理是將旋轉時音叉震蕩產生的地球偏轉力（克裏奧利力）轉換為電信號。該三軸陀螺由傳感器件、音叉驅動電路和信號處理電路構成。此款陀螺為一模擬器件
，具有+80～-80（°）／s的測量範圍，單電源（+5 V DC）供電，對零點漂移抑製較好等優點。另外，其低廉的價格可大大降低開發成本。

 

傾角傳感器采用芬蘭VTI Technologies公司生產的高精度雙軸傾角傳感器SCAl00T，該傳感器的體積小
，重量輕。其內部包含了一個矽敏感電容傳感器和一個ASIC專用集成電路，既具有內部溫度測量及補償功能
，又具備自檢測功能
，單軸最大輸出範圍約為-40～+40 ℃，有效輸出範圍為-30～+30 ℃。當采樣頻率為8 Hz及以下時，可獲得0．002°的輸出分辨率。串行外圍接口SPI的輸出頻率為500 kHz
，通過傳感器元件控製頻率響應，能夠承受大於20 000g的機械振動。它具有的主要特點是：x
，y雙軸高分辨率雙向測量，單電源（+5 V DC）供電，工作電流小（3 mA），噪聲低，工作溫度範圍寬（-40～+125 ℃）等。

　　

 

整個飛控係統的輸入量即為傳感器所采集的飛行狀態值，輸出量為飛機狀態方程的控製變量（舵值和發動機推力）
，所以飛控係統實質上是一個多通道的控製係統，即多輸入／多輸出控製係統。其中
，飛控係統的核心控製回路是以姿態角（俯仰角／滾轉角的）反饋信號為基礎構成的飛行姿態穩定和控製回路，即內回路。

 

在內回路的基礎上，又引入高度保持、航跡控製等外回路。

 

在飛控係統的姿態增穩控製回路中三軸陀螺實時反饋飛機的俯仰、henggunhepianhangdejiaosulv。lingwai，jiangsanzhoutuoluodefuyangjiaosulvhehenggunjiaosulvfenbieyuqingjiaochuanganqicededefuyangjiaohehenggunjiaojinxingzitaijielianjiesuan。zhukongdanpianjiliyongdingshi／計數器O的定時中斷，間隔30 ms循環進行內環的姿態控製，控製流程如圖2所示。由於飛機沿縱向平麵的對稱性，無人機飛行控製可以分為相對獨立的縱向控製和橫側向控製通道。

 

 

（1）橫側向控製通道：wurenjidehengcexiangyundongjiwurenjidegunzhuanhepianhangyundong，zhuyaotongguofuyitongdaolaishixian。zaihengcexiangkongzhitongdaozhongyougunzhuanjiaofankuihegunzhuanjiaosulvfankui，zheliangxianggouchenglegunzhuantongdaodehexinhuilu——內回路。另外
，航向偏差反饋隻有在無人機作定向直飛、航向跟蹤或者自主導航時才需要接人，以穩定控製無人機的飛行航向；側偏距反饋僅當無人機進入自主導航時才需要接入，以控製無人機跟蹤預先設置的飛行航線
；誤wu差cha積ji分fen反fan饋kui僅jin僅jin當dang無wu人ren機ji做zuo定ding向xiang直zhi飛fei時shi才cai接jie入ru，以yi消xiao除chu無wu人ren機ji左zuo右you不bu對dui稱cheng性xing等deng因yin素su的de影ying響xiang
，改gai善shan無wu人ren機ji航hang向xiang控kong製zhi的de精jing度du以yi及ji左zuo右you轉zhuan彎wan的de對dui稱cheng性xing。

 

（2）縱向控製通道：wurenjidezongxiangyundongjizhiwurenjidefuyangjishengjiangyundong。wurenjidezongxiangyundongguilvshitongguocaozongwurenjideshengjiangduolaishixiande。zaizongxiangkongzhitongdaozhongyoufuyangjiaofankuihefuyangjiaosulvfankui，zheliangxianggouchenglezongxiangtongdaodehexinkongzhihuilu——內回路。另外，還有高度差反饋
，隻有在無人機做定高飛行時才需要接入
，以穩定無人機的飛行高度。縱向控製俯仰角通道的框圖如圖3所示。

 

 

通常可以把無人機飛行過程劃分為幾個相對獨立的航段。一個最基本的自主飛行工程可以劃分為6個航段：起飛階段
、出航平飛階段、轉彎階段
、返航平飛階段、盤旋階段和著陸階段。每個航段的任務相對獨立，把各航段的複雜飛行狀態分解為幾個基本的飛行任務：平飛、轉彎

、升降等。這樣通過相對獨立的縱向控製通道和橫側向控製通道來協調實現無人機的平飛、轉彎

、升降等基本飛行任務。

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