HMR3000数字罗盘在微型飞行器中的应用陈皓生,徐 军,李 疆(清华大学精密仪器与机械学系,北京100084)摘 要:HMR3000数字罗盘体积小,质量轻,并能输出飞行器俯仰、航向、滚转三个方向上的姿态数据,因而能满足微型飞行器飞行控制系统设计的要求。
但是HMR3000的输出数据并不能直接为控制系统所用,必须设计接口电路,使数字罗盘的输出能配合微型飞行器控制系统的工作,并可作为在微型控制系统中使用串行异步通信数据的参考方法。
关键词:数字罗盘;微型飞行器;飞行控制中图分类号:TP212.12 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2001)09-0044-03 Application of HMR3000digital compass in micro air vehicleCHEN Hao2sheng,XU J un,L I Jiang(Dept.of Precision I nst.&Mech.,Tsinghu a U niversity,B eijing100084,China)Abstract:Because the light weight and small volume,HMR3000digital compass can well fit the need of micro air vehicle(MAV)control system.Before it can work in the control system,the interface circuit must be well de2 signed.The circuit provides an example about how to use HMR3000in the control system.Also,it introduced a way to solve such problems in dealing with the serial communication of MAV’s control system.K ey w ords:digital compass;micro air vehicle(MAV);flight control0 引 言当前对微型大气飞行器(micro air vehicle简称MAV)的研究十分广泛。
这种飞行器的直径或翼展在25cm以下,质量在几十g至500g之间。
为提高微型飞行器的实用价值,必须设计飞行器的控制系统。
由于体积和载荷的限制,微型飞行器控制系统中使用的传感器必须体积小、质量轻,并且在功能上要能快速、准确地获得飞行器的姿态数据。
HMR3000数字罗盘能集三个轴向的转动角度测量于一体,并且在体积和质量上能很好地满足设计需要,是一种非常适用于微型飞行器的传感器。
就有关数字罗盘在微型飞行器中的使用方法进行探讨。
1 HMR3000在微型飞行器中的应用微型飞行器的控制系统主要是进行导航、姿态监测和增稳。
传感器的作用是测量各个轴向上的角度和角速度、速度等数据,形成反馈回路参与飞行控制。
目前微型飞行器上安装的陀螺大多是压电晶体类型的角速度陀螺,主要用于飞行器增稳[1]。
但要收稿日期:2001-05-07满足飞行控制系统对导航和姿态监测的要求,还要用到角度传感器。
由于微型飞行器的特殊性,选择姿态角度传感器的要求是:体积和质量不能超出微型飞行器的有效载荷;数据的刷新率必须快于飞行器动态响应速度;测量的准确度必须满足控制算法的要求;输出必须可靠。
目前,比较典型的传感器有HMR3000数字罗盘。
HMR3000数字罗盘在目前的使用中大多用作姿态反馈和纠正。
其外形尺寸为7.49cm×3.05cm×0.87cm,质量约30g(不含保护性外壳)。
HMR3000数字罗盘由三轴磁阻传感器和一个充有液体的两轴倾斜传感器组成,三轴磁阻传感器测量三个轴向角度变化所引起的磁场变化,根据这个变化和倾斜传感器所测量的水平角度,产生倾斜补偿的三个轴向角度变化数据。
其内部单片机控制传感器的测量时序,能及时获得当前飞行器航向和机体的水平姿态。
在通常的工作状态下,HMR3000进行7次测量:4次倾斜和3次磁场测量,然后产生出航向、滚转和俯仰角度数据。
HMR3000的测量准确度是0.5°,分辨力是0.1°。
罗盘在倾斜40°的情44 传感器技术(Journal of Transducer Technology) 2001年第20卷第9期况下也能给出精确的航向信息。
HMR3000和外部的数据交换主要根据NM EA0183标准进行串行异步通信。
和外部的接口有RS232或者RS485两种方式。
传输波特率可选择从1200到38400波特不等。
从以上的参数可以看出,HMR3000在性能上,尤其是在体积和质量上能满足微型飞行器控制系统的要求。
但在控制系统中,HMR3000数字罗盘的使用还存在一些问题,其中最主要的是:需要重新设计接口电路。
2 HMR3000接口电路的设计在设计微型飞行器的控制系统时,一般采用单片机来实现飞行控制系统的控制算法。
单片机要完成的工作有:首先获得外部控制指令,并等待通过串行通信获得HMR3000数字罗盘的反馈信号,从而实现控制算法,最后将运算结果输出给舵机。
这样,单片机一方面要处理控制信号的中断和实现控制算法,另一方面要和数字罗盘进行串行数据通信,在实际应用中存在很大的困难:(1)运算速度受影响。
HMR3000输出的飞行器姿态数据被用来作为反馈数据参考,而串行通信的速度较慢,会产生控制算法等待数据的状态,从而延误指令输出;(2)数据的可靠性差。
控制算法和串行通信两个部分都要保证实时性和连续性,但是单片机最主要的任务是完成控制算法并处理控制指令输入和输出的中断。
这样,单片机就有可能无法及时响应和处理串行通信的中断。
同时,又因单片机中的串行寄存器SBU F只能保留一个字节的数据,就可能造成传输数据的丢失或错误,从而影响串行通信数据接收的可靠性;(3)资源紧张。
HMR3000输出的RS232信号数据是ASCII码,并不能被单片机直接拿来运算,通用的单片机一般都是用汇编或者C51等语言进行编程,要将ASCII码字符转换成二进制数才能用来运算。
这个工作量对于一个单片机的中断服务程序来说相当大,转换过程要大量占用单片机内部数据区,会引起单片机资源紧张。
所以HMR3000所提供的RS232数据接口不能直接适用于微型飞行器控制系统。
提供的解决办法是飞行器的控制系统采用主从单片机的方案。
电路的结构如图1所示。
图1 H MR3000接口电路的设计Fig.1 Interface circuit of H MR3000 图1中,主单片机负责控制算法的实现和指令的输出,通信单片机负责和HMR3000进行通信,并且将得到的ASCII字符转换成数字类型,对该数字类型进行判断和限幅,使得从HMR3000输入的信号始终符合主单片机对姿态数据的要求。
双端口RAM负责为主单片机和通信单片机提供交换数据的通道。
通信单片机将ASCII码的数据处理完后,将这些数据存放在双端口RAM中。
主单片机在需要飞行器姿态数据时,根据同样的地址访问双端口RAM中的数据区,读出需要的姿态信息[2,3]。
飞行器控制系统中的数据流向是单向的,即数据总是从传感器写入到RAM中,又从RAM中被读到主单片机中,所以不会存在同时读或同时写数据的非法状态。
双端口RAM一般可用CY7C136,DS1609等。
从数据处理的角度看,主单片机可以从数据总线上直接读取姿态数据,有效地提高了数据的可靠性,减小了系统的数据等待时间,并极大地降低了主单片机的工作量;从系统设计的角度看,只要传感器的数据刷新率快于飞行器的动态响应,双端口RAM 中的数据就是可用的反馈数据,而不必等待传感器每次传输的新数据,使控制算法的实现更加方便。
例如,选择HMR3000的数据输出为20次/s,而飞行器的动态响应一般都大于0.1s,那么在任一时刻,双端口RAM中的数据都可以用作姿态反馈数据。
3 实际应用举例图2所示的电路是设计完毕并在实际使用的模型直升机姿态测控电路。
图2 测控电路的组成Fig.2 Makeup of the measurement and control system54第9期 陈皓生等:HMR3000数字罗盘在微型飞行器中的应用 图2中从左至右分别对应的是作为参照物的圆珠笔、HMR3000数字罗盘、飞行器姿态测控电路、舵机;上方是无线数据传输系统。
HMR3000数字罗盘串口传输的输出是9600波特,输出数据的刷新率为1200句/min 。
测控系统的输出一路到舵机,另一路通过无线传输将数据发送到地面站。
实验所得的监测数据可参见图3。
图3 实验数据Fig.3 Data of experiment 图中曲线对应的是测控系统在1min 内采集到的部分数据,反映了模型直升机处于悬停状态、航向作变化时,俯仰、航向、滚转三个姿态角的变化。
4 结束语HMR3000数字罗盘的性能 体积和质量都能适应微型飞行器控制系统的要求。
但是其数据输出的接口还不够灵活。
如果在HMR3000中的单片机基础上开发控制算法和设计硬件,确实可以设计不同的数据输出方式,但是对于已经封装完毕的传感器,这样做相当于重新设计传感器的外围电路,并且有可能损害到传感器输出数据的准确度和可靠性。
提出的设计方法,能够较好地将HMR3000数字罗盘应用到微型飞行器控制系统中去,同时设计的方法也比较简单。
为微型飞行器飞行控制系统对陀螺反馈姿态数据的使用,尤其是对串行通信数据的使用,提供了一种可供参考的设计思路。
参考文献:[1] 普劳蒂R W.直升机性能及稳定性和操纵性[M ].北京:航空工业出版社,1990.410-472.[2] 马忠梅,籍顺心,何立民.单片机的C 语言应用程序设计[M ].北京:北京航空航天大学出版社,1999.57-73.[3] 窦振中.单片机外围器件实用手册存储器分册[M ].北京:北京航空航天大学出版社,1999.365-416.作者简介:陈皓生(1975-),男,安徽省合肥市人,清华大学博士研究生。
主攻方向:微型飞行器控制系统设计。
(上接第43页)凸台上。
主要优点:(1)用小量程力传感器实现了大量程测力称重,具有与小量程力传感器相同的性能参数(如准确度等);(2)有更好的抗震动碰撞性能,因而具有更好的长期稳定性,(3)对安装地面不平不敏感。
已用于矿井箕斗提升井下定量装载系统进行称重。
量程30,50t ,准确度0.3%FS ,分辨力0.01t ,长期稳定性好[2]。
8 G SJ -2型多功能电脑检测仪GS J -2多功能电脑检测仪是与双线圈自激振弦式传感器配套使用的便携式仪器,内有高增益弱激发自激激发电路单片机测量系统,由可充电电池供电,为本质安全防爆型仪器。
