标题: 一种可变形飞行器的无人机控制系统设计与实验（下） [打印本页]
作者: forsuccess 时间: 2013-9-13 23:44 标题: 一种可变形飞行器的无人机控制系统设计与实验（下）
5．3 航向控制回路
航向控制回路主要用于飞行器需要改变飞行方向时对舵机的相关控制。
6 无人机实验
6．1 系统电子设备的连接、调试与测试
图11是主要电子设备连接图。包括Tiny2．11控制板(嵌合LEA-5H GPS芯片)、水平和垂直姿态传感器、RC接收器、FTDI数据线、USB数据线及舵机等。这是地面测试状态的连接图，实际飞行测试中FTDI数据线要换成无线Xbee modem。
6．1．1 姿态传感器调试
中心点调试。为了保证实际飞行中模型处于水平状态时姿态返回值为零，必须对三对红外传感器进行初始化归零。
方向调整。姿态传感器的方向要合理配置，才能正确指示模型当前姿态。配置要在室外空旷地进行，以保证附近没有热源干扰，同时为了避免人体温度的干扰，要将模型举高过头顶进行。要点是谨记大地的温度高于天空，模型哪个方向对着地面，相应的测量值即应为正，否则将传感器反向。垂直方向传感器只需识别天空与地面，较易配置。水平方向两对传感器则有两种配置方式：第一种为传感器方向和模型的径向和横向轴线一致；第二种为传感器方向和模型的径向和横向轴线成45°角。两种方式对应的配置文件不同，当前实验中采用的是第一种方式。
6．1．2 无线modem调试
实验采用的是Xbee Pro 2模块，工作频率为868MHz。其通信配置通过X-CTU软件进行。作为地面终端的模块要设定为ZNET 2．5 COORDIN ATORAT模式，而模型上的模块则要设定为ZNET 2．5ROUTER／END DEVICE AT模式。为了提高效率，还可将默认的通信速率由9．6kb／s提高到57．6kb／s。X-CTU设置界面如图13所示。
GPS调试必须在室外开阔地带进行，保证周围无高层建筑遮挡信号。可以使用u-blox的软件u-center进行调试，也可直接在GCS中查看GPS信息。实际测试中，LEA-5H芯片的定位时间在2min以内，位置漂移在3m以内。U-CENTER测试GPS界面如图14所示。
6．1．4 RC遥控器和接收机的修改和配置
出于安全考虑，系统中保留传统的RC遥控和接收是必要的。由于Tiny 2．11控制板需要直接读入PPM信号进行处理，所以对于普通的PPM接收机，要使用示波器找出电路中PPM信号的接入点，焊接导线引出，再接入Tiny 2．11控制板。当前实验采用的是天地飞WFR09-P 8通道接收器，其电路修改如图15所示。
各通道信号都需使用Real time plotter和Message工具确定信号范围和中点，从而正确设置各通道的控制量及输入方向。
6．2 飞行试验
6．2．1 模型测试
在不装备自主飞行电子设备的情况下，使用传统RC遥控器和接收机，手动控制模型进行飞行测试。测试目的是检验模型的稳定性和操控性，估计模型能否进行自主飞行，并进行相应的修改和调整。
6．2．2 装载控制设备的模型地面测试
该测试与上面的电子设备调试基本相同，差异在于此时各电子设备都布设在机舱内。须注意以下几点：模型重量的控制和重心的合理配置；舵机的方向调整，确保在AUTO模式下和手控状态下舵面偏转方向一致；电子设备的绝缘保护；抗干扰措施。Xbee Modem与RC接收机应尽量远离电调，它们之间的距离也应尽可能大。此外，接入Tiny控制板的大量导线要用小磁珠扎在末端，以减小电磁干扰。
6．2．3 自主飞行测试
在自主飞行试验之前，除了要进行上述各项测试工作，还必须完成飞行相关配置和飞行计划的编写，编译和软件模拟等工作。
(1)飞行相关配置。这包括电机、舵机、GPS、Xbee modem、RC遥控等配置；
(2)飞行计划编写。为自主飞行编写合适的飞行计划，包括初始位置、飞行航迹和飞行高度等。注意要事先用手持GPS确定试飞场地的经纬坐标；
(3)飞行模拟。各配置文件编写完成，编译无误后，在地面站进行飞行模拟。模拟无误后，上传至控制板。
(4)实际飞行。各项准备工作完成后，到预期地点进行实际飞行。
飞行器从home出发，绕以S1为中心的圆飞行。在从home到L1这阶段，飞行器副翼收缩，快速飞行，在飞行中根据收到的GPS信号，不断调整自己的轨迹，到达L1处飞行状态基本稳定，飞行器副翼展开进行定点盘旋。
当飞行器在L2处接收到调整飞行计划命令时，副翼收缩，快速飞行，到达L3处飞行器飞行状态基本稳定，副翼伸展，进行定点盘旋。
图18实时改变盘旋中心点实际飞行的情况达到了预期效果，实现了预期功能。
7 结束语
系统复杂度较高，所需设备也较多。但是可以自主飞行，同时实现航迹和姿态控制。机载辅助电路将信号发回地面后，完全可以使用独立编制的控制算法进行控制，而信号处理则由软件完成。由于地面平台速度很快，信号延迟不会有太大影响。针对变形飞行器模型，可以充分利用其可变形的特点，实现性能最优化。
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