固定翼飛機(jī)水平飛行是最常見的飛行狀態(tài)，讓其做大仰角飛行則動作不能一直保持，如讓其垂直于地面飛行能保持的時間則更短。本項目要實現(xiàn)的是一個可以讓飛機(jī)垂直于地面飛行并可以穩(wěn)定在固定高度的控制系統(tǒng)。利用在機(jī)身加入的三軸向加速度傳感器來檢測垂直于地面飛行的飛機(jī)的姿態(tài)。當(dāng)檢測到飛機(jī)前后搖擺時，控制水平尾翼使飛機(jī)保持前后方向的穩(wěn)定性；當(dāng)檢測到飛機(jī)左右搖擺時，控制垂直尾翼使飛機(jī)保持左右方向的穩(wěn)定性；當(dāng)檢測到飛機(jī)上下竄動時，控制油門的大小（即螺旋槳的轉(zhuǎn)速）來保持飛機(jī)飛行高度的穩(wěn)定性。當(dāng)這些控制都很精準(zhǔn)到位時，固定翼飛機(jī)也可以像直升機(jī)一樣穩(wěn)穩(wěn)地懸停在空中了。利用本文設(shè)計的控制系統(tǒng)可以讓飛機(jī)在做垂直飛行減速的同時順時針或逆時針轉(zhuǎn)90°（投影面積很小），這樣就可以減小暴露給后面飛機(jī)的投影面積，減小被擊中的幾率。

設(shè)計概述

為了讓飛機(jī)能豎直飛行，控制電路需要有以下功能：

判斷飛機(jī)是否要豎直飛行 對于真飛機(jī)，它可能只是一個可防止誤觸發(fā)的撥動開關(guān)；在本項目的實驗品遙控飛機(jī)里，它就是某一個通道的脈寬信號。當(dāng)脈寬大于某一設(shè)定值時，控制電路就知道它該上場了。

判斷自身姿態(tài) 這是本控制電路的核心部分之一，在控制飛機(jī)保持豎直飛行之前必須先判斷自身的姿態(tài)。本項目用MMA7260QT傳感器檢測飛機(jī)的姿態(tài)。

控制 這是本項目設(shè)計制作過程中最耗時的部分，但其原理很容易理解：姿態(tài)電路已經(jīng)了解了飛機(jī)的姿態(tài)，控制電路只要做相應(yīng)動作就可以了。飛機(jī)前傾它就讓飛機(jī)向前移動一些，后傾就向后移動一些。還有一個需要控制的量——高度，飛機(jī)在做此動作時高度是要保持穩(wěn)定的，機(jī)身上沖時要減小油門，下降時要加大油門。要完成如此控制，要用兩片MC9S08QG8。為了達(dá)到上述功能，本項目應(yīng)有如圖1所示的電路框圖。

選用兩片MC9S08QG8是因為在本項目里有兩處對時間要求比較嚴(yán)格的地方：一是讀從遙控器送出的脈寬；二是把經(jīng)過運算的脈寬精確地發(fā)送出去，兩處都要10μS以內(nèi)的誤差，如用一片來做即使用中斷也會有沖突。本項目里兩片MC9S08QG8工作的大體分配是：一片作為主控，用于讀取遙控器送來的由接收機(jī)收到的脈寬（高實時性）、讀取飛機(jī)姿態(tài)（低實時性）、控制運算（PID運算）和數(shù)據(jù)發(fā)送（把需要對飛機(jī)如何控制的數(shù)據(jù)，也就是PID運算的結(jié)果送給另一片MCU）；另外一片作為輔助，只要把讀到的數(shù)據(jù)實時發(fā)給飛機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就可以了。

硬件描述

硬件電路如圖2所示。

·傳感器MMA7260QT輸出的三個軸的數(shù)據(jù)分別送入主控MCU的三個A/D輸入端ADP0、ADP1和ADP2，電源接一個電阻和電感可防止電源對傳感器的干擾。

·整個電路的電源由J1從接收機(jī)引入，通過78FC33變?yōu)?.3V后給MCU和傳感器供電，J2、J3、J4分別是左右、油門和前后控制。

·主控MCU的第二路TPM的捕捉輸入端TPMCH1接接收機(jī)的信號輸出端。本遙控系統(tǒng)是9通道的，也就是可同時控制9個機(jī)構(gòu)，這種9通道的信號見圖3。它是由間隔為20ms的一個個脈沖串組成，每個脈沖串有9個脈沖，連續(xù)兩個脈沖的上升沿的間隔就是遙控器送出的有效控制信號，此間隔最小1ms、最大2ms。TPM捕捉到9個脈沖的寬度后，就可以根據(jù)需要直接送給舵機(jī)或經(jīng)PID運算后再送給舵機(jī)了。至于如何識別某一脈沖是上一個脈沖串的結(jié)尾還是下一個脈沖串的開頭，這里涉及到一個同步脈沖的概念，屬于軟件內(nèi)容，在此先不作解釋。

·主控MCU的串行輸出端接輔助MCU的串行輸入端。主控MCU想如何控制飛機(jī)動作，只要通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送給輔助MCU就可以了，發(fā)送格式如表1所示，共8個字符，其中0xAA、0x55為引導(dǎo)位……

·三個LED，D1是電源指示燈，D3用于指示“我是控制電路，我已經(jīng)開始控制飛機(jī)豎直飛行了”，D2是“出錯了，小心出問題，快切換回由你控制吧。”

·輔助MCU有兩個工作：一是讀主控MCU送來的串行數(shù)據(jù)，找到引導(dǎo)字符后，把前后左右上下（油門）的數(shù)據(jù)送入相應(yīng)的數(shù)組貯存；二是每20ms把相應(yīng)的數(shù)組里的數(shù)據(jù)以脈沖形式發(fā)送出去。脈沖最小1ms、最大2ms。這個信號送入飛機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)——舵機(jī)后對應(yīng)的輸出規(guī)律見圖4。1ms的脈沖使舵機(jī)搖臂在最左邊的位置，1.5ms的脈沖使舵機(jī)搖臂位于中位，2ms的脈沖使舵機(jī)搖臂在最右邊的位置。舵機(jī)的搖臂連接飛機(jī)的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，搖臂搖動時飛機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如尾翼等）也跟著擺動。

軟件描述

主控MCU部分，流程圖見圖5。

·讀取遙控信號：這個遙控信號見圖5右上角，是9個脈沖組成的脈沖串，每20ms一串，讀取的方法如下，由TPM捕捉到脈沖的上升沿進(jìn)入模定時器捕捉中斷程序后，先看是不是脈沖串里的第一個，若是就把定時器清零，然后把捕捉值存入數(shù)組，這樣9次后，數(shù)組里就由低到高地存下了每個脈沖發(fā)生的時間，用減法一算，各脈沖寬度就出來了。為防止出錯，附加了脈沖數(shù)錯誤預(yù)防，就是對脈沖個數(shù)進(jìn)行計數(shù)，如果在一個脈沖串里讀到了多于9個脈沖就意味著有干擾了，需要盡快把所有脈寬按中間值1.5ms處理。這樣雖然和遙控器發(fā)出的指令不一樣，但減少了出大問題的機(jī)會。

·8ms定時中斷：系統(tǒng)有一個模定時器18ms中斷程序，因為正常的脈沖串9個脈沖不會超過18ms，所以可以讓定時器在第一個脈沖開始時計數(shù)，計到18ms就認(rèn)為一個脈沖串結(jié)束，把脈沖數(shù)計數(shù)器清零。模定時器捕捉中斷程序里看到這個計數(shù)器被清零了就知道下一個脈沖串開始了。這個中斷還為PID的定時運算提供時間標(biāo)志，每進(jìn)入一次中斷就把標(biāo)志置位，主程序讀到標(biāo)志被置位就進(jìn)行PID運算，這樣就保證了PID運算的周期是固定的。

·1.67ms中斷程序和A/D中斷程序：為了讀取MMA7260QT輸出的數(shù)據(jù)需要用A/D讀值，這里每1.6667ms進(jìn)入中斷一次設(shè)定A/D通道，讀完三個通道用時5ms，在兩個脈沖串的標(biāo)準(zhǔn)間隔20ms內(nèi)可以各讀4次，用滑動平均值算法后可以濾除干擾。

主程序介紹

雖然傳感器都是水平放置的，但因為溫度電壓等的不同，三個軸的輸出和計算的輸出是不一樣的，會有少許偏差，為了解決這個問題，在上電后先對三個軸的值連續(xù)讀64次后平均，把這個平均值作為飛機(jī)要穩(wěn)定的目標(biāo)值，這樣飛機(jī)就基本穩(wěn)定了。

提到穩(wěn)定，PID功不可沒，主程序里的PID有兩處要提一下。一是因為傳感器的穩(wěn)定性問題和飛機(jī)的抖動，A/D輸出值差2、3個數(shù)是很正常的，所以在主程序里要判斷一下，如果誤差值在3以內(nèi)，則不進(jìn)行PID運算，這樣就減少了舵機(jī)無謂的抖動；二是因為飛機(jī)的前后左右重量不一致，所以在飛機(jī)前傾后仰左右擺動時要用不同的P值計算。

主程序每20ms更新一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)就是前后左右上下的控制脈沖的寬度。這個數(shù)據(jù)是把模定時器捕捉中斷程序里捕捉到的數(shù)直接拿來用還是要拿PID運算的數(shù)據(jù)來用？這由一個脈寬（決定此時飛機(jī)是否要豎直飛行的脈寬）決定，這里用到的是第7個脈沖的脈寬，也就是遙控器的第7通道，這個參數(shù)被命名為Helen，當(dāng)Helen > 1500（1.5ms）時就是操縱者要豎直飛行，要把PID運算的數(shù)據(jù)輸出；當(dāng)Helen < 1500時就是正常飛行，直接把模定時器捕捉中斷程序里捕捉到的數(shù)輸出就可以了。

要得到各個脈沖寬度，只要把從低到高的每個脈沖發(fā)生的時間做減法就可以了，這個減法運算也是在主程序里完成的。減法完成后還要對脈沖寬度進(jìn)行出錯處理，要檢查一下，小于1ms的按1ms算，大于2ms的按2ms算，處理完了就可以調(diào)用發(fā)送中斷發(fā)送給輔助MCU了。調(diào)用方式是把數(shù)組排列好，把發(fā)送數(shù)據(jù)計數(shù)器清零，打開發(fā)送中斷允許位，這時發(fā)送緩沖區(qū)是空的，發(fā)送中斷一允許，它就立刻進(jìn)中斷開始發(fā)送。

串口發(fā)送中斷程序：程序進(jìn)入本中斷后首先把發(fā)送數(shù)據(jù)計數(shù)器指示的數(shù)送到發(fā)送緩沖區(qū)去發(fā)送，如發(fā)送完了就把發(fā)送中斷允許位清零，以防止正在發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送完后再次進(jìn)入中斷；如沒發(fā)送完就直接退出，等待下次中斷。

輔助MCU程序流程圖見圖6。