微小型無人機全姿態增穩控制系統的設計與實現
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隨著國內外反恐形勢的日趨嚴峻和各類突發事件的頻繁發生，對武警部隊能否在各種復雜、危險的環境下，快速有效地完成任務，提出了更高的要求。傳統的偵察手段已經不能滿足形勢的需求，如重大自然災害，導致救援工作無法展開；反恐或協助抓捕時不能有效地跟蹤嫌疑人等。無人偵察機的出現給執勤人員帶來了方便，但在偵察過程中無人機自身產生的振動會使圖像拍攝出現抖動，因此很大程度上影響到指揮員的正確決策。傳統的自駕儀采用慣性測量單元獲得飛機的姿態信息，包括角速度計(陀螺)和加速度計。陀螺用來測量飛機的姿態角和角速度；加速度計用來測一般重力加速度下兩個水平方向的投影，通過三角關系可以換算出飛行器當前的姿態，也就是俯仰角和滾轉角。但是，利用加速度計測量的姿態信息十分容易受到飛行器振動和機動飛行時自身加速度的干擾，測量精度誤差一般比較大，穩定性差，使偵察效果受到影響。為解決無人機飛行平穩性，研究了一款由三軸陀螺和傾角傳感器構成的全姿態增穩控制系統，用以改進無人機在執行任務時的穩定性。
l 系統特點
由陀螺和傾角傳感器構成全姿態增穩控制回路。陀螺測量得到的角速度信息用作增穩反饋控制，使飛機操縱起來變的更“遲鈍”一些，從而利用傾角傳感器測得飛機橫滾角和俯仰角。然后將陀螺測得的角速率信息和傾角傳感器測得的姿態角進行捷聯運算，得到融合后的姿態信息。這種較為復雜的捷聯算法可使姿態精度得到很大提高。
2 姿態增穩控制律硬件設計
無人機姿態增穩控制屬于內回路控制，它包括姿態保持與控制、速度控制等模式。內回路控制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、方向舵的控制，完成飛行姿態的穩定與控制。內回路控制作為飛行控制的核心回路，也是飛行高度、航跡等外回路控制的基礎。外回路控制是以GPS的位置、航向信號、高度傳感器的氣壓高度信號為基準的，它通過導航控制方法計算出飛行器的預定航線和實際航線。
無人機內回路控制作為外回路控制的基礎，對其能否穩定飛行起著至關重要的作用。該系統中，內回路是由三軸陀螺和傾角傳感器構成的姿態增穩控制回路。主要由主控制單片機、A／D采樣芯片、三軸陀螺儀和傾角傳感器組成。主控制單片機通過SPI串行總線與A／D采樣芯片相連，通過A／D采樣芯片獲得三軸陀螺儀的角速率與傾角傳感器的橫滾角和俯仰角，然后進行姿態信息融合，得到無人機俯仰和橫滾的姿態信息。主要接口連接情況如圖1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轉換器和制定串行數據的轉移，與單片機引腳PB0(
)相連。SCLK為串行時鐘輸入引腳，通過外接單片機ATmegal28引腳PBl(SCK)提供串行時鐘信號。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。
外部基準電壓的范圍是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范圍內的任何值。
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，并根據角速度積分計算角度的改變。該系統中采用日本松下公司的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(克里奧利力)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的測量范圍，單電源(+5 V DC)供電，對零點漂移抑制較好等優點。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。其內部包含了一個硅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，單軸最大輸出范圍約為-40～+40 ℃，有效輸出范圍為-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，通過傳感器元件控制頻率響應，能夠承受大于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，工作溫度范圍寬(-40～+125 ℃)等。
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