三自由度直升機(jī)可以應(yīng)用于飛行器控制系統(tǒng)的半實(shí)物仿真試驗(yàn)和性能測(cè)試等場(chǎng)合，用以模擬橫列式直升機(jī)，即傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的直升機(jī)狀態(tài)［1］。其控制系統(tǒng)屬于典型的多輸入-多輸出系統(tǒng)，具有非線性和強(qiáng)交叉耦合性，不易用傳遞函數(shù)和狀態(tài)方程描述，是控制系統(tǒng)中較為復(fù)雜的被控對(duì)象［2，3］。實(shí)驗(yàn)室配備的三自由度直升機(jī)平臺(tái)采用PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡的控制方案，運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)時(shí)測(cè)量并控制三自由度直升機(jī)平臺(tái)的飛行姿態(tài)，控制量的計(jì)算則由PC機(jī)完成［4］。該方案偏離了真實(shí)直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)方案。為此，本文采用嵌入式設(shè)計(jì)方法重新設(shè)計(jì)了三自由度直升機(jī)的控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，改變外接的飛行搖桿的俯仰角和橫側(cè)角，并以此為指令信號(hào)，實(shí)時(shí)控制三自由度直升機(jī)平臺(tái)的飛行姿態(tài)。通過對(duì)飛行搖桿上快捷鍵的控制，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在“輔助操縱”、“全自動(dòng)駕駛”和“改平”3種工作模式之間的切換。系統(tǒng)工作原理1.1系統(tǒng)的整體方案

系統(tǒng)整體方案如圖1所示。其中三自由度直升機(jī)由2個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)，模擬橫列式直升機(jī)，即傾

轉(zhuǎn)旋翼機(jī)［1］的直升機(jī)狀態(tài)。冊(cè)仰用液入式控制聊個(gè)電機(jī)飛訐旅桿運(yùn)幼測(cè)挖5冊(cè)仰用液入式控制聊個(gè)電機(jī)飛訐旅桿運(yùn)幼測(cè)挖5牢E叱，卜:帛打嗎三自市度宜升亂怔】三口協(xié).度自升機(jī)的嵌人賈索統(tǒng)整體方舉三自由度直升機(jī)可以繞3個(gè)相互垂直的軸旋轉(zhuǎn)，分別對(duì)應(yīng)直升機(jī)模型的俯仰角、橫側(cè)角和航向角。飛行搖桿選用北通公司的幻影318飛行搖桿，利用搖桿的俯仰和橫側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出與搖桿的俯仰角和橫側(cè)角對(duì)應(yīng)的直流電壓，用于控制三自由度直升機(jī)的俯仰角和橫側(cè)角的指令信號(hào)；利用搖桿手柄上的按鈕，輸出脈沖信號(hào)，用于控制三自由度直升機(jī)在不同工作模式之間切換。1.2系統(tǒng)的工作模式

系統(tǒng)具有輔助操縱（有人工操作）、全自動(dòng)駕駛（無(wú)人操作）、（強(qiáng)制）改平3種工作模式［5］。由飛行搖桿上

的若干快捷按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)各種工作模式的切換。1.2.1輔助操縱由人工操縱飛行搖桿的俯仰和傾斜，以此作為三自由度直升機(jī)俯仰角和橫側(cè)角的指令信號(hào)，由嵌入式控制器依據(jù)閉環(huán)反饋的PID控制律實(shí)現(xiàn)整體操縱。這種工作模式用于模擬飛機(jī)的有人駕駛狀態(tài)。此時(shí)飛行控制系統(tǒng)輔助飛行員通過搖桿對(duì)飛機(jī)操縱，可以減輕操縱者的工作負(fù)擔(dān)；同時(shí)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行控制增穩(wěn)，既確保飛機(jī)的穩(wěn)定，又可抵御陣風(fēng)等外部干擾，減輕擾動(dòng)對(duì)飛行品質(zhì)的影響。1.2.2全自動(dòng)駕駛飛行搖桿對(duì)系統(tǒng)的控制被屏蔽，系統(tǒng)以進(jìn)入該工作模式時(shí)刻三自由度直升機(jī)的俯仰角和橫側(cè)角的當(dāng)前值為指令信號(hào)，由嵌入式控制器依據(jù)閉環(huán)反饋的PID控制律實(shí)現(xiàn)整體操縱。這種工作模式用于模擬飛機(jī)的無(wú)人控制全自動(dòng)飛行狀態(tài)。當(dāng)飛行員人工把飛機(jī)操縱到理想的飛行姿態(tài)后，通過切換按鈕進(jìn)入這種模式，由飛行控制系統(tǒng)對(duì)飛行姿態(tài)的當(dāng)前值進(jìn)行穩(wěn)定，保證飛機(jī)按剛進(jìn)入該狀態(tài)時(shí)的各種姿態(tài)角、速度、高度、航向飛行；同時(shí)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行控制增穩(wěn)，提高飛行品質(zhì)。該工作模式突出體現(xiàn)了飛行控制系統(tǒng)的功能，可以大大降低飛行員的工作量，減輕疲勞。

1.2.3改平系統(tǒng)強(qiáng)制俯仰角和橫側(cè)角的指令值都為0，飛行搖桿對(duì)系統(tǒng)的控制被屏蔽，以此強(qiáng)制控制三自由度直

升機(jī)俯仰角和橫側(cè)角為0，實(shí)現(xiàn)三自由度直升機(jī)的水平穩(wěn)定運(yùn)行。這種工作模式用于模擬飛行控制系統(tǒng)的改平功能。當(dāng)飛行員遇到突發(fā)情況時(shí)（如飛行員受傷等），采用這種

功能可以很方便地把飛機(jī)由任何姿態(tài)改變?yōu)閯蛩倨斤w的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)然這種功能也可以用于飛行員平時(shí)把

飛機(jī)拉平的過程，即采用“改平”模式可以方便飛行員的操作。1.3系統(tǒng)功能模塊在圖1方案的基礎(chǔ)上，可以制定出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“輔助操縱”功能時(shí)的整體策略，如圖2所示。ADC由圖2可知，三自由度直升機(jī)平臺(tái)的嵌入式控制器整體上包含接口與控制兩方面的功能。接口功能對(duì)

應(yīng)為圖2中的ADC采樣、旋轉(zhuǎn)編碼器解碼、PWM輸出3個(gè)功能模塊?？刂乒δ苁遣捎没诜答佅到y(tǒng)的PI

D控制方法計(jì)算控制信號(hào)，對(duì)應(yīng)為圖中的PID控制功能模塊。ADC對(duì)自由度宜升機(jī)軸轉(zhuǎn)度

轉(zhuǎn)旋角■RinI叫H輸出對(duì)自由度宜升機(jī)軸轉(zhuǎn)度

轉(zhuǎn)旋角揑制r、花*；A>WUCJLHQHOFElECTRCHCfit..上匚：廳躱縮科器解碼圖］亠輔助操縱?］.杵根式的醴體圭現(xiàn)繳略在圖2的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，就可以獲得嵌入式控制器的“全自動(dòng)操縱”和“改平”工作模式的實(shí)現(xiàn)方法。

區(qū)別在于閉環(huán)控制系統(tǒng)指令信號(hào)的來(lái)源不同。這兩種模式下，圖2中的指令信號(hào)不再由搖桿給定，搖桿的

功能被屏蔽。“全自動(dòng)操縱”模式下，指令信號(hào)為剛剛進(jìn)入該工作模式時(shí)刻三自由度直升機(jī)平臺(tái)輸出的測(cè)量

值；“改平”模式下，俯仰角和橫側(cè)角值的指令信號(hào)都為0。硬件與軟件設(shè)計(jì)2.1硬件設(shè)計(jì)硬件部分的主體是嵌入式控制盒。控制盒由EasyARM1138開發(fā)板［6］、信號(hào)調(diào)理板和機(jī)箱外殼3部分

組成。2.1.1EasyARM1138開發(fā)板EasyARM1138使用32bitARMCortex-M3內(nèi)核，具有豐富的接口資源。具體配置如下：（1）采用EasyARM1138的2個(gè)ADC端口（ADCO、ADC1）測(cè)量飛行搖桿輸入的模擬電壓信號(hào)，采用軟件等比例地?fù)Q算成對(duì)應(yīng)的角度信號(hào)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行搖桿的指令角度信號(hào)的測(cè)量。（2）采用EasyARM1138的3個(gè)GPIO口（PB0、PF6、PF4）測(cè)量三自由度直升機(jī)的俯仰角信號(hào)的輸出脈沖,3個(gè)GPIO口（PB2、PF1、PF2）測(cè)量三自由度直升機(jī)的橫側(cè)角信號(hào)的輸出脈沖。通過軟件編程，采用中斷的方法實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)三自由度直升機(jī)飛行姿態(tài)的測(cè)量。（3）采用EasyARM1138的Time2模塊產(chǎn)生PWM信號(hào)，將Timer2模塊中的TimerA和TimerB配置為16位的遞減計(jì)數(shù)器，其對(duì)應(yīng)的EasyARM1138上的2個(gè)GPIO口（PF7和PC4）的PWM輸出作為三自由度直升機(jī)的2個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)的控制信號(hào)，通過調(diào)整TimerA和TimerB中的匹配值來(lái)等效地調(diào)整2個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)的輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這兩個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。2.1.2信號(hào)調(diào)理板由于GPIO測(cè)量的8個(gè)信號(hào)（三自由度直升機(jī)的角度信號(hào)對(duì)應(yīng)的6個(gè)脈沖信號(hào)和飛行搖桿對(duì)應(yīng)的2個(gè)角

度信號(hào)）在實(shí)際測(cè)量時(shí)不可避免地存在噪聲，被噪聲污染的信號(hào)直接送入EasyARM1138會(huì)使測(cè)量出現(xiàn)很大

的誤差，從而對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。嚴(yán)重時(shí)會(huì)使三自由度直升機(jī)的電機(jī)以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行，此時(shí)系統(tǒng)實(shí)際上

已經(jīng)發(fā)散，無(wú)法平衡。EasyARM1138的GPIO需要測(cè)量的8個(gè)信號(hào)量先經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理以后，再送入EasyARM1138。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，而且動(dòng)態(tài)性能理想。2.1.3控制盒

嵌入式控制器的外部采用通用的塑料機(jī)箱外殼，在其側(cè)面開口用于安放各種接口。控制盒整體采用外

接的5V、2A電源供電，盒上保留了與外部穩(wěn)壓整流電源的插口。盒上安放了一個(gè)電源開關(guān)用于對(duì)控制

盒的供電進(jìn)行控制，并用一個(gè)LED二極管指示燈指示電源的開關(guān)狀態(tài)?？刂坪械亩嗣姘卜帕艘粋€(gè)橙色的無(wú)鎖開關(guān)，用來(lái)對(duì)EasyARM1138進(jìn)行復(fù)位操作。在該端面同時(shí)有一個(gè)DB9的插孔，用于和來(lái)自飛行搖桿(北通瞬風(fēng)318飛行搖桿改裝)的DB9插頭相連接。在另一端面安放了一個(gè)DB25插孔，用于和來(lái)自三自由度直升機(jī)的DB25插頭相連。2.2軟件設(shè)計(jì)全部軟件基于IAREmbeddedWorkbenchforARM編程平臺(tái)⑺，在rC/OSII操作系統(tǒng)中使用C語(yǔ)言

進(jìn)行開發(fā)。生成的全部軟件通過外接的USB電纜下載至EasyARM1138。軟件整體上分為接口和控制兩個(gè)

功能模塊。2.2.1接口功能的實(shí)現(xiàn)(1)ADC采樣飛行搖桿上下?lián)u動(dòng)給出俯仰信號(hào)，左右搖動(dòng)給出橫側(cè)信號(hào)，2路信號(hào)通過濾波電容進(jìn)行整形，送到EasyARM1138開發(fā)板的ADC，ADC同時(shí)將2路連續(xù)的模擬電壓轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量。通過電壓的比例換算，計(jì)算出飛行搖桿給出的俯仰與橫側(cè)的角度。EasyARM1138開發(fā)板的ADC采樣模塊提供的最大電壓為3.3V,設(shè)置搖桿輸入的電壓量程為0V?3.

3V，ADC采樣率為125kS/s。ADC模塊的轉(zhuǎn)換分辨率為10bit，其轉(zhuǎn)換范圍為0?1024。當(dāng)搖桿模擬信

號(hào)輸入到ADC，ADC將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量ulVal0,則搖桿輸入的電壓值ulVal1=(ulVal0/1024)x330

0。再根據(jù)三自由度直升機(jī)俯仰角的范圍0°?60°將搖桿的電壓值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的角度值，即搖桿輸入俯仰的

角度angle02=ulVal1/3300x60。同理可以將搖桿輸入橫側(cè)的角度算出來(lái)。(2)旋轉(zhuǎn)編碼器解碼

三自由度直升機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)信號(hào)是通過3個(gè)光電旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)傳送到控制盒中的，為了檢測(cè)俯仰與橫

側(cè)的角度，需要對(duì)編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，算出當(dāng)前俯仰與橫側(cè)的角度。編碼器輸出的是相位差為90°的A相和B相兩對(duì)差分脈沖信號(hào)。從A、B2個(gè)輸出信號(hào)的相位關(guān)系(超前或滯后)可判斷編碼器旋轉(zhuǎn)的方向。當(dāng)編碼器碼盤正轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖波形比B道超前n/2,而反轉(zhuǎn)時(shí)，A道脈沖波形比B道滯后n/2[8]。旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的波形信號(hào)如圖3。對(duì)于俯仰時(shí)編碼器輸出的兩對(duì)差分信號(hào)A+與A-和B+與B-，可以只用A+、B+、B-這3個(gè)信號(hào)測(cè)量俯仰角度數(shù)。采用EasyARM1138開發(fā)板GPIO的邊沿觸發(fā)中斷，設(shè)B+與B-的脈沖上升沿觸發(fā)產(chǎn)生中斷。當(dāng)B+脈沖產(chǎn)生中斷時(shí)，檢測(cè)A+脈沖輸入的高低電平，同時(shí)對(duì)B+脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。如圖4所示，若A+為高電平可判斷A超前B,計(jì)數(shù)變量FA1自動(dòng)加1(設(shè)計(jì)數(shù)變量初值FA1=30000)；若為低電平可判斷A滯后B,計(jì)數(shù)變量FA1自動(dòng)減1。為了消除三自由度直升機(jī)平衡桿抖動(dòng)帶來(lái)的脈沖計(jì)數(shù)誤差，對(duì)B-脈沖設(shè)置了中斷計(jì)數(shù)，這樣相當(dāng)于對(duì)脈沖B進(jìn)行了二倍頻計(jì)數(shù)。當(dāng)B-上升沿脈沖產(chǎn)生中斷時(shí)，檢測(cè)A+脈沖輸入的高低電平，同時(shí)對(duì)B-脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。若A+為高電平可判斷A滯后B,計(jì)數(shù)變量FA1自動(dòng)減1；若為低電平可判斷A超前B,計(jì)數(shù)變量FA1自動(dòng)加1。4H升扒穩(wěn)是運(yùn)訐時(shí)冊(cè)勻軸破軟堀硏器的袖出波哆4H升扒穩(wěn)是運(yùn)訐時(shí)冊(cè)勻軸破軟堀硏器的袖出波哆PLICATIONOFELBROMICTECHNFtMJE編碼器碼盤上的圓周等分條紋數(shù)為600,被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)一周，編碼器的A、B兩相分別發(fā)出600個(gè)脈沖,A、B兩相的脈沖當(dāng)量即對(duì)應(yīng)的角度P=360°/600。由于對(duì)B脈沖一個(gè)周期進(jìn)行了2次計(jì)數(shù)，則FA1計(jì)數(shù)的每一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度為P/2。編碼器的旋轉(zhuǎn)角度即三自由度直升機(jī)的俯仰角angle00=(FA1-30000)xP/2。同理，對(duì)三自由度直升機(jī)橫側(cè)時(shí)編碼器輸出的3個(gè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，算出橫側(cè)的角度。⑶PWM輸出通過PID控制算出的電壓，經(jīng)由EasyARM1138開發(fā)板Timer2產(chǎn)生PWM方波信號(hào)，以此來(lái)輸出控制2個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)的電壓輸入。設(shè)置Timer2模塊中TimerA和TimerB的初值為6000,其輸出的電壓范圍為0V?3.3V。PID控制

算出的電壓V00與TimerA和TimerB裝載的匹配值對(duì)應(yīng)成線性變化，比例系數(shù)為K=0.3。匹配值MP1=V

00xKx6000(0<V00xK<1。匹配值隨著PID控制算出的電壓變化而變化，然后根據(jù)PWM占空比輸出對(duì)

應(yīng)的電壓控制三自由度直升機(jī)的2個(gè)電機(jī)。2.2.2控制律生成方法控制律生成方法分為系統(tǒng)建模和PID控制兩部分。系統(tǒng)建模的過程具體可以參見固高公司的產(chǎn)品手冊(cè)[4]。2個(gè)電機(jī)的輸出電壓采用增量式數(shù)字PID控制算法，用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)：電機(jī)I：^(31=f1+KdxT+^e<l/nI2|-KepXfI+2T]^Ee\I.|?)/71；電機(jī)2,\\\=1?+Kppx(I+KpixT+Kpd/T}xEp\2|-Kp-px(I+2x^pd/71)x￡^|I|+KF]pxKpdx￡p|?]/7,；V01是電機(jī)1當(dāng)前的電壓，V00是電機(jī)1上一次采樣時(shí)的電壓，Ee[i]是三次采樣俯仰角的角度誤差值;V11是電機(jī)2當(dāng)前的電壓，V10是電機(jī)2上一次采樣時(shí)的電壓，Ep[i]是三次采樣橫側(cè)角的角度誤差值。系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果為了對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，特采用數(shù)字示波器(TektronixTDS220)和萬(wàn)用表對(duì)飛行搖桿給出的俯

仰角和橫側(cè)角的指令信號(hào)，以及三自由度直升機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出的實(shí)際俯仰角和橫側(cè)角信號(hào)進(jìn)行測(cè)試

和分析。測(cè)試工具還需要EasyARM1138調(diào)試開發(fā)軟件IAREmbeddedWorkbenchforARM5.11及相應(yīng)的

內(nèi)嵌USB接口的下載仿真器。搖桿信號(hào)與三自由度直升機(jī)信號(hào)分別接到控制盒的兩端，這時(shí)將程序加載到EasyARM1138開發(fā)板中,對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試。3.1三自由度直升機(jī)的啟動(dòng)與穩(wěn)定運(yùn)行打開三自由度直升機(jī)電機(jī)的電源，保持搖桿的平衡狀態(tài)及運(yùn)行程序，三自由度直升機(jī)的俯仰軸會(huì)平穩(wěn)地向上轉(zhuǎn)動(dòng)，俯仰角穩(wěn)定地由-30°變化到0°。當(dāng)俯仰角穩(wěn)定下來(lái)后，俯仰軸基本上不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這時(shí)的俯仰角軸旋轉(zhuǎn)編碼器的測(cè)量信號(hào)理想值應(yīng)該是一條平穩(wěn)的直線，沒有任何脈沖產(chǎn)生。但實(shí)際上可能會(huì)存在小幅振動(dòng)，對(duì)應(yīng)信號(hào)圖形為少數(shù)的脈沖信號(hào)。圖4中每格的時(shí)間長(zhǎng)度為1s。由圖4可知，在10s的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，俯仰角旋轉(zhuǎn)編碼器輸出了少量脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)角度變化為0.3°（上下波動(dòng)）。在理解此圖的基礎(chǔ)上，對(duì)圖5所示的圖形也就不難理解了。圖5中給出的是俯仰角由-30°變化到0°時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出波形。圖5直升機(jī)崔動(dòng)吋詡掃軸旋轉(zhuǎn)城碼器旳軸出波瑤可以看出，俯仰角為-30°和0°時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出都近似為直線，或只有很少的脈沖。而在從-30°

變化到0°的變化過程中，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出表現(xiàn)為密集的脈沖信號(hào)，而且剛開始的時(shí)候脈沖比較密，后面

稍微稀疏。對(duì)應(yīng)為俯仰角的變化過程，開始時(shí)角度變化速度比較快，后面稍慢。對(duì)于該過程，采用EasyARM1138串口通信把旋轉(zhuǎn)編碼器的角度數(shù)據(jù)讀入電腦，然后通過Matlab繪制得到如圖6所示的數(shù)據(jù)變化曲線。

皚二皚二HE一圭3.2三自由度直升機(jī)的增穩(wěn)當(dāng)三自由度直升機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，若有外部擾動(dòng)，例如陣風(fēng)等沖擊信號(hào)作用在三自由度直升機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸

上，則在控制器的作用下，系統(tǒng)應(yīng)該能自動(dòng)抵御該擾動(dòng)，擾動(dòng)消除后，系統(tǒng)恢復(fù)到