MSP430单片机在飞行器自动驾驶仪中的应用

ByGrith4

摘要:为达到稳定飞行姿 态和操纵飞行器的目的以美国德州仪器( TI )公司的MSP430F149为核心,研制了一种无
8 h0 I/ L, k: A* }人飞行器自动驾驶仪.由单片机对板载各传感器信号进行采集和处理,采用PID控制方式实现系统要求，
通过与地面站之间信息的交换实现自动/手动切换功能.飞行测试表明,可满足基本飞行要求.
+ i3 Q1 H3 R4 n" e! g关键词:MSP430F149; PID算法;传感器
无人飞行器是由控制设备进行自动驾驶的航空
3 x& X% c8 V' W% t3 B' y/ O器,以其造价低、用途广、适应性强和“零伤亡”的优势
迅猛发展,其适用范围已从军用领域不断拓宽至各行
各业.这种自动驾驶仪系统必须满足质量轻、稳定性
: `" Y: Q; ]7 u好、功耗低的要求,以保证在飞机携带有限重量电池的
情况下，具有更长的续航时间并具有一定的抗干扰能
力.为此,自动驾驶仪所采用的计算机必须具有体积
, B* u  g$ }0 q* l' A- ~, t; t: O小、运算速度快、抗干扰能力强、功耗低等特点
9 m# a) B) @% O  V) W# A" o: rMSP430系列单片机是由美国TI公司生产的一种超低
功耗单片机，工作电压2.7 ~3.6 V,最小工作电流0.6
8 z  N( y' T- lμA.而且,它具有两路UART接口可以与外界通信,有
8路12位A/D转换和多个可编程I/O接口供系统使.
用.本文即以MSP430 单片机为核心设计了一种低成
本、高性能的自动驾驶仪,可直接降低无人飞行器的总
体成本,提高生产和使用效率,其应用前景十分
广阔[1-4]
2 f9 @. a$ F# U) W/ H  p| 系统原理
自动驾驶仪是一-种精密仪器,需要获取飞机速度、

9 d( U5 l( K" G; i" F加速度等运动状态参数以及飞机飞行姿态和周围的大
" x$ [( z  W5 e+ M: G- e$ t: c气环境信息,经过计算处理,在没有人参与下控制操舵
机构运动,利用空气动力稳定或改变飞行姿态，以完成
$ S& k$ C/ |/ F# ^自动飞行并进一步完成某些特定任务.本文以两片
* q$ |7 O& e, f0 v, lMSP430系列中的MSP430F149为核心控制器，配合气
压传感器、加速度传感器.3轴速率陀螺以及全球定位
7 ?$ I" L$ Y, b2 R% Z+ ]系统( GPS )模块和数据传输模块等研制高性能的飞行
器自动驾驶仪[5].系统原理框图如图1所示.
  V9 o% ?/ |% [) Y/ e/ N
# ]* N; E- R- H8 p% G+ O; N7 _系统采用PID控制方法以及惯性导航和GPS导
航相结合的导航方式对无人机进行姿态稳定控制和航
2 I* m$ ~2 o( u迹控制.利用MSP430单片机的片上A/D转换接口,
单片机可以读取各传感器的数值,经过解算得到飞机
飞行速度、姿态以及位置等信息,从而构成闭环反馈.
同时,系统通过数据传输模块将这些参数发送回地面
站,供人员实时监控飞机状态以及对其飞行姿态进行
; Z* u9 l1 |) i  U调整等.通过对惯性元件信号的解算，系统可以获得飞
# {1 i: J2 F6 V. |; N' Q5 l( K/ S  Z行过程中飞行器的位置坐标,通过与GPS航迹的匹
配,达到导航的目的..
驾驶仪在工作过程中，如果被控制参数出现偏差，
$ w& d9 ?- I4 Z! i1 q$ z6 H比例控制项首先输出与偏差值成正比的控制量来减小
偏差.对于控制对象响应快、参数变化范围小、被控量
- _% F  f2 P. ]6 }/ `4 P0 q1 L不允许有误差的系统,例如精度要求严格的迎角和倾
$ z. ]) v' n, U" l2 z) V& @斜角姿态控制系统，由于纯比例的控制作用不是非常
  u4 \$ @/ C. Z6 r+ p精确,因而会产生控制误差.为了消除控制误差,就必
, u! ^1 m. t  }* ^4 y( |0 T# m! J. j须采用比例+积分(PI)控制方式.对于参数变化范围
, Y/ l* C- `$ b6 y3 _8 Y% o1 ~大且不允许存在误差的控制对象,例如速度、高度、转
. `) y+ S4 {, G# x# q弯速率和航向控制系统,如果使用比例+积分的控制
2 ~! r! @- R! }: \  |5 x" p方式,由于积分作用的延缓和负相位保持特性,将会使
2 C, [4 ~2 E) V$ {控制作用不及时,且超调量和振荡周期都比较大.在这
种情况下,就必须采用比例+积分+微分(PID)控制
方式.在系统参数出现偏差后,微分项首先输出-一个
; F' Q5 G+ r2 ~, x  G# B与偏差变化速率成正比的控制量来抑制偏差的变化.
/ J, k. e$ I: U- [偏差的变化速率大,微分项输出的控制量就大;偏差的
变化速率为零时,微分项的控制量输出也为零.由此可


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驾驶仪在工作过程中，如果被控制参数出现偏差，比例控制项首先输出与偏差值成正比的控制量来减小偏差