CC BY
21МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 629.33
Модель микропроцессорного устройства управления углом тангажа и крена беспилотного летательного аппарата
А.В. Щагин, Вэй Ян Лвин, Наинг Лин Зо, Пьо Хылам Хтут
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Рассмотрена модель микропроцессорного устройства управления углом тангажа и крена беспилотного летательного аппарата. Система реализована на базе PIC-микроконтроллера и используется для управления углом тангажа и крена с помощью двигателя постоянного тока. Система позволяет управлять режимами работы двигателей постоянного тока, изменяя углы тангажа и крена беспилотного летательного аппарата.
Ключевые слова: система управления; микроконтроллер; программа управления; беспилотный летательный аппарат.
Проведение мониторинга территорий в целях предупреждения пожаров, наводнений и других чрезвычайных ситуаций с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) весьма актуально, так как способствует повышению эффективности методов борьбы со стихийными бедствиями. Важную роль для улучшения тактико-технических характеристик БПЛА играет бортовая информационно-управляющая система. Точность, устойчивость и быстродействие при управлении БПЛА являются ключевой задачей и требуют отработки системы с использованием всех возможных средств моделирования, обеспечивающих необходимую точность и режимы работы.
При решении поставленной задачи математическое описание системы и блоков даже в линейном случае получается разнотипным, что зависит от порядка числителя и знаменателя их передаточных функций. В структуре контура системы автоматического управления (САУ) БПЛА удобно использовать аналоговую линеаризованную модель. Элементом системы является блок, реализующий фильтр Винера, основанный на рекуррентной зависимости [1]:
Xi+i =xX,П, + X, + K(Al+l -TXA "X), (1)
где l е N - шаг работы фильтра Винера; X, = [gx ,, gyl, gz , ]T - вектор оцененных значений вектора ускорения свободного падения земли g = \gx gy gz ]T ; gx,gy,gz -проекции вектора g на оси связанной системы координат; т - шаг дискретизации курса вертикали; Q, = [шx, ,, ш ,, roz, , ]T - дифференциальные уравнения на i-м шаге работы фильтра Винера; юх,юу,ю2 - проекции вектора угловой скорости вращения БПЛА
© А.В. Щагин, Вэй Ян Лвин, Наинг Лин Зо, Пьо Хылам Хтут, 2014
на оси связанной системы координат; K =
к 0 0" 0 к 0 0 0 к
- коэффициент передачи фильтра
Винера; к = const; Al = \nx t ny t nz t ]T - показания акселерометров на i-м шаге работы фильтра Винера; nx,ny,nz - проекции вектора кажущегося ускорения БПЛА на оси
связанной системы координат.
Для того чтобы получить аналоговую модель системы, перепишем выражение (1) в
виде:
Xi+1 - X K
- +
K
X =(X-П, )(1 - K)+-Xt + A1+1.
x
Переходя к пределу при т ^ 0, получим дифференциальное уравнение модели:
* Кх, =(х, -а, )(1 - к)+кх, * д,„
ат т т
(2)
Используя уравнение (2), построим структурную схему аналоговой нелинейной модели (рис.1). Линеаризацию данной модели проведем, выделив эталонные режимы полета. Для каждого режима полета существуют максимальные значения углов тангажа и крена, которые БПЛА не должен превышать. Ограничения зависят как от аэродинамических свойств, так и от требований технического задания [2]:
Рис.1. Структурная схема аналоговой нелинейной модели
X
Т = —; к' = — (1 - К) . К К
Блок вычисления углов определяет углы тангажа и крена по известным зависимостям:
а = агС^ х
8х
I 2
^Еу + Е
2
, Р = агС^ Е2
_ Еу _
где а, Р - углы тангажа и крена.
При подаче на систему управления уставки заданного угла компаратор сравнивает угол _у3ад с фактическим углом удат, получаемым от датчика угла, и вырабатывает ошибку уош. Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал в эквивалентный цифровой код. Микроконтроллер проводит обработку сигналов по каждой оси и выдает управляющие сигналы на драйвер для управления двумя двигателями постоянного тока одновременно по двум каналам широтно-импульсной модуляции, которые друг от друга не зависят и обеспечивают необходимый ток через двигатель. Фактическое значение угла вала двигателя определяется угловым датчиком, имеющим аналоговый выход [3].
Передаточная функция системы определяется выражением
ж _ ^Ацп^Гм
х( ^ 1+(^ацп^ЛХГДУ )'
где передаточные функции по каналам проекций: ЖАцП - блока аналого-
цифрового преобразователя; Жмк - блока микроконтроллера; ЖМ - двигателя постоянного тока; Жду - датчика угла обратной связи.
Для отработки системы управления углом тангажа а и углом крена в БПЛА разработан макет САУ с модулями двигателей постоянного тока. В макете применяется микроконтроллер Р1С16Б887, использующий шесть выводов порта с целью подключения микросхемы для управления двумя двигателями постоянного тока одновременно.
На рис.2 представлена блок-схема модуля управления двигателем постоянного тока [4]. Для формирования управляющего сигнала с широтно-импульсной модуляцией используются два таймера в составе микроконтроллера.
Механизм управления двигателями обеспечивает три режима: вал двигателя вращается по часовой стрелке; вал двигателя вращается против часовой стрелки; вал двигателя неподвижен.
В стенде для физического моделирования устройства управления углом тангажа и крена используется отладочная плата ME-EASYPIC6. Стенд включает в себя отладочную плату, акселерометр, микросхему АЦП, двигатели постоянного тока, микрогироскоп и блок питания. Функция микроконтроллера - управление акселерометром ADXL330, АЦП-микросхемой L293D. На экране, расположенном на отладочной плате микроконтроллера, отображаются значения оценок по каждой оси. Акселерометр управления каждой осью реализован на микросхеме ADXL330. В блоке управления двигателем постоянного тока используется микросхема L293D полумостового драйвера (может быть заменена на SN754410). Микрогироскоп управляет каждой осью для стабилизации, а блок питания дает энергию микрогироскопу. Двигатели постоянного тока обеспечивают работу по каждой оси.
Рис. 2. Блок-схема управления углом тангажа а и углом крена в с модулями двигателей постоянного тока
На рис.3 приведен алгоритм стабилизации углов тангажа и крена управления БПЛА. Для выполнения алгоритма разработана программа для управления углом тангажа а и углом крена в с модулями двигателей постоянного тока М1, М2, позволяющая реализовать обобщенную концепцию управления.
Разработанная модель устройства позволяет проводить исследования параметров качества и устойчивости системы управления БПЛА и тем самым решать задачу управления углом тангажа а и углом крена в, используя модули двигателей постоянного тока, а также отрабатывать режимы и алгоритмы работы САУ для обеспечения высоких тактико-технических характеристик БПЛА.
Для предложенной модели характерна работа с малыми балансировочными углами крена и тангажа и малыми отклонениями параметров движения от балансировочных. В модуле физической модели применены новые блоки акселерометра и микрогироскопа. Акселерометр позволяет управлять каждой осью и режимами ускорения двигателей. Блок микрогироскопа обусловливает более точное управление режимами стабилизации и определение параметров по каждой оси.
Полученные в работе результаты могут быть использованы при отработке задач управления БПЛА.
^^ Начало
^ Конец
Рис.3. Блок-схема алгоритма управления углом тангажа а и углом крена в
)
Литература
1. Савин М.М., Елсуков В.С., Пятина О.Н. Теория автоматического управления. - М.: Феникс, 2007. - 89 с.
2. Воробьев В.Г., Кузнецов С.В. Автоматическое управление полетом самолетов. - М.: Транспорт, 1995.
3. Predko My. 123 PIC microcontroller experiments for the evil genius // MC Graw-Hill. - 2005. -June 24. - P. 257-263.
4. Вэй Ян Лвин. Исследование устойчивости системы управления беспилотным летательным аппаратом алгебраическими методами: мат. конф. «Современные информационные технологии и ИТ-образование» (Москва, 2013). - М.: МГУ, 2013. - С. 706-715.
Статья поступила 19 декабря 2013 г.
Щагин Анатолий Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой систем автоматического управления и контроля МИЭТ. Область научных интересов: системы автоматического управления.
Вэй Ян Лвин — аспирант кафедры систем автоматического управления и контроля МИЭТ. Область научных интересов: системы автоматического управления. E-mail: [email protected]
Наинг Лин Зо — аспирант кафедры систем автоматического управления и контроля МИЭТ. Область научных интересов: системы автоматического управления.
Пьо Хылам Хтут — аспирант кафедры систем автоматического управления и контроля МИЭТ. Область научных интересов: системы автоматического управления.
Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Вы можете приобрести журналы за 2014 г. в редакции. Стоимость одного номера- 800 руб. (с учетом всех налогов и почтовых расходов).
Адрес редакции: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ, комн. 7231.
Тел.: 8-499-734-62-05. E-mail: [email protected] http://www.miet.ru/structure/s/894/e/12152/191
