基于VC++的模擬舵機系統設計

摘要：在無人機半物理仿真實驗中，為了節約實驗成本，提出用模擬舵機系統代替真實舵機的方法。基于VC++設計了模擬舵機系統。在半物理仿真系統中連入模擬舵機，并用該系統模擬副翼、升降舵、油門的舵機。通過實驗驗證了該模擬舵機系統的有效性。實驗結果表明，該模擬舵機系統具有實時性好，可模擬多種舵機的特點。
關鍵詞：模擬舵機；多媒體定時器；PCL-836；PCL-812；PCL-726

0 引言
無人機飛行控制仿真主要包括數字仿真和半物理仿真。半物理仿真將系統部分實物引入仿真回路，盡可能真實模擬現場情況，比數字仿真更能有效驗證飛行控制系統的可靠性，尤其在其在初期試飛調參以及后期控制策略改進階段應用廣泛。
做無人機的半物理仿真時，需要使用真實舵機，而舵機價格比較昂貴，且多次實驗時存在損壞的風險，無形中增加了實驗成本。本文根據舵機在飛行控制系統中的作用及特點，基于VC++設計模擬舵機；該模擬舵機由綜合記錄計算機和若干板卡構成，運行于綜合記錄計算機中；代替實現真實舵機的功能，節約了實驗成本。

1 模擬舵機硬件設計
模擬舵機系統，首先要能模擬舵機在半物理仿真中的功能；其次要不影響半物理仿真接入真實舵機。這個是通過PCLD-785B(繼電器輸出板)來選擇的，當DO不輸出任何值時，Ci和NCi是導通的，當DO輸出時，Ci和NOi導通(i=0，1，2，…，9)。
系統硬件設計如圖1所示，為了簡潔，省去PCL-880接線板。

圖1中的PCLD-782B是光電隔離板，為了隔離PCLD-785B帶來的噪聲和提高電壓(飛控盒輸出電壓是3．3 V，提高到TTL電平)。而PCL-836(頻率采集卡)和PCL-726(D／A輸出卡)，PCL-812(A／D采集卡)和位于綜合記錄計算機內，在VC++中的操作方法如圖2所示。

2 舵機函數關系的輸入
為了仿真多種舵機的需要，舵機函數關系應該可調；同時系統要滿足自動獲取接在圖1仿真舵機上舵機的舵機函數。系統用PCL-836發出PWM波，PCL-726采集反饋電壓。程序界面如圖3所示。

圖中k，b為V=kT+b中的系數，V代表反饋電壓，T代表脈寬(單位：ms)。

3 模擬舵機軟件設計
3．1 PWM波采集方法
對PWM的采集是程序的難點，這里使用PCL-836的事件計數功能來實現對PWM的測量。PCL-836共有6路計數器，其中CLK5用來產生時鐘信號。在PWM的下降沿時去讀計數器的值，然后根據時鐘的頻率算出PWM高電平的時間。檢測PWM下降沿的常見的方法是使用中斷和查詢。在PWM每次下降沿時觸發中斷，在中斷程序里去讀計數器的值。但是PCL-836只支持一個外接中斷，并且是上升沿觸發中斷，而整個仿真需要4個舵機，在目前的硬件條件下并不能直接實現，需要一定的輔助電路，如非門等。其次用查詢的方法，用一個線程來讀DI，在下降沿時去讀計數器的值。但這樣CPU的占用很高，影響系統的整體性能。所以不使用查詢和中斷的方法。為了能夠檢測PWM下降沿，并考慮現實性，決定用1 ms定時器來實現。如果上次讀到高定平，而這次讀到低電平，就認為是下降沿。雖然有不定的延遲，但是延遲小于1 ms，同時可以得到正確的值，而且系統占用要遠遠低于查詢方法。
3．2 使用多媒體定時器采集PWM波
微軟提供了精確定時器的底層API，支持能夠提供高精度的定時器服務，利用多媒體定時器可以精確地讀出系統的當前時間，并在很精確的時間間隔內處理事件，可以到1 ms的精度。多媒體定時器的回調函數的程序流程圖如圖4所示。

用多媒體定時器采集PWM的方法帶來的不定延遲，加上Windows系統的實時性差帶來的延遲，使得模擬舵機系統實時性變差。但是飛控盒發出的PWM波幾乎是同時發出，即上升沿在時間上是一致的。所以可以用中斷加查詢的方法來檢測，用一路PWM做中斷源，每次中斷的時候去查詢，最終檢測到下降沿。
3．3 中斷加查詢采集PWM波
PCL-836支持一路外部中斷，上升沿觸發。首先使用DRV_EnableEvent函數使能中斷，開始中斷線程，在中斷線程里用DRV_CheckEvent函數檢測中斷。中斷線程流程圖如圖5所示。

使用中斷加查詢的方法采集PWM，實時性比較好，系統占用高于定時器方法，但是低于查詢方法。

4 仿真分析
在半物理仿真系統中連人該模擬舵機，系統模擬副翼、升降舵、油門三個舵機。使用該系統采集飛控盒發出的PWM，并反饋電壓給模型機。經仿真采集到各舵機的PWM曲線如圖6～圖8，可知該系統實現具有實時性好，可模擬多種舵機的特點。

5 結語
本文基于VC++設計的模擬舵機系統，實現了無人機飛行控制半物理仿真中真實舵機的功能，一定程度上降低了實驗成本。該系統功能全面，設計靈活，可實現多種類型舵機，是一種行之有效的仿真方法。