張文博，王惠林，呂勃龍，吳 輝，鄒美英

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所 陜西 西安 710065）

無人機(jī)載光電任務(wù)設(shè)備升降機(jī)構(gòu)是為了實現(xiàn)光電任務(wù)設(shè)備在特定空域自主升降而設(shè)計的。當(dāng)無人機(jī)在巡航時，升降機(jī)構(gòu)將光電設(shè)備降至合適的位置，保證其搜索、探測、識別、跟蹤等功能的無障礙實現(xiàn)；當(dāng)無人機(jī)在起飛和降落時，升降機(jī)構(gòu)將光電設(shè)備升至無人機(jī)艙段內(nèi)的安全位置，使其在受到較大沖擊時，免受損壞，保證其安全性；同時，當(dāng)無人機(jī)不使用光電設(shè)備時，升降機(jī)構(gòu)將其升起至機(jī)艙艙段內(nèi)，也可以保證無人機(jī)飛行時的機(jī)體空氣動力學(xué)特性[1]。因此，升降機(jī)構(gòu)的可靠正常工作是光電任務(wù)設(shè)備完成任務(wù)使命和安全使用的前提，基于此，要求升降機(jī)構(gòu)及其控制器安全系數(shù)高、可靠性好，同時為滿足無人機(jī)裝載條件，要求體積重量小。

1 升降機(jī)構(gòu)簡介

升降機(jī)構(gòu)為無人機(jī)載產(chǎn)品，機(jī)構(gòu)實現(xiàn)遵循簡捷、適用、重量輕、體積小等原則，保證升降運動平穩(wěn)自如、可靠安全。機(jī)構(gòu)具有限位功能，在升降的任意位置有良好的自鎖功能。本文所控制的升降機(jī)構(gòu)如圖1所示，選擇行星輪同步帶升降機(jī)構(gòu)設(shè)計，升降機(jī)構(gòu)由升降平臺和控制盒兩部分組成，控制盒置于平臺外側(cè)。升降平臺由三個薄壁框架、四根光桿及四根絲杠組成整體框架。其中第一層、第三層薄壁框架是固定框架，這兩層框架通過光桿及絲杠連接起來，支撐起整個升降平臺，兩層框架上均開有孔洞，保證光電設(shè)備的無障礙升降運動。第二層薄壁框架是活動框架，光電設(shè)備通過安裝螺栓固定在該層框架上，用電機(jī)通過同步齒形帶帶動絲杠轉(zhuǎn)動驅(qū)使活動框架上下運動來達(dá)到升降光電設(shè)備的目的。

圖1 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Lifting mechanism structure diagram

2 控制器工作原理

控制器以單片機(jī)C8051F320為升降機(jī)構(gòu)主控芯片，結(jié)合芯片MSK4310的功率放大作用，配合限位開關(guān)實現(xiàn)定點升降功能[2]。

圖2 工作原理圖Fig.2 The working principle of figure

升降機(jī)構(gòu)的工作原理是：當(dāng)系統(tǒng)上電，升降機(jī)構(gòu)初始化，上升至頂位，等待飛機(jī)發(fā)送控制指令。當(dāng)飛機(jī)給出控制信號，系統(tǒng)自動判斷上升或者下降。同時判斷是否上到位或者下到位。到位后，給飛機(jī)返回到位指令。工作原理見圖2。

3 控制器硬件設(shè)計

升降機(jī)構(gòu)控制器[3]主要由C8051單片機(jī)和MSK公司生產(chǎn)的驅(qū)動芯片MSK4310組成，主要包括電氣接口部分、光電隔離部分、數(shù)字信號處理模塊、差分輸出模塊、電機(jī)驅(qū)動控制模塊。飛機(jī)控制信號通過光耦器件PS2805轉(zhuǎn)化為單片機(jī)I/O口可以接受的3.3 V，單片機(jī)對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理，通過差分輸出模塊得到差分電壓信號給電機(jī)驅(qū)動控制模塊，生成相應(yīng)PWM波輸出給電機(jī)[4]。整個系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 升降機(jī)構(gòu)控制器系統(tǒng)示意圖Fig.3 Lifting mechanism controller system schematic diagram

3.1 光電隔離

控制器在數(shù)字信號輸入級用到了光電隔離技術(shù)。在輸入級，由于單片機(jī)接收的控制信號為3.3 V，為了避免飛機(jī)給的高電壓控制信號CON損壞單片機(jī)I/O口，兩級之間加入光耦PS2805芯片，具體如圖4所示。

圖4 光耦輸入隔離Fig.4 OCinput isolation

3.2 數(shù)字信號處理模塊

控制器數(shù)字信號處理模塊是以單片機(jī)C8051F320為主處理芯片MCU，實時采集飛控信號、到位信號等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)內(nèi)集成了17通道模擬多路選擇器（AMUX0）和1個200 ksps的10位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。MCU接收到控制信號高低電平時，P1.2口和P1.3口輸出相反電平，經(jīng)過兩片LM193比較器進(jìn)行電壓比較，形成差分輸出電壓信號，比較器后級接上拉電阻提高輸出驅(qū)動能力。

3.3 電機(jī)驅(qū)動控制模塊

傳統(tǒng)分立元件MOSFET搭建三相橋電路，不但結(jié)構(gòu)尺寸較大，容易出現(xiàn)信號波形失真等情況，而且其外圍驅(qū)動電路復(fù)雜，還需加入硬件HALL解碼或者在MCU內(nèi)加入軟件HALL解碼。與其相比，MSK公司的驅(qū)動芯片MSK4310集成波形發(fā)生器電路、門驅(qū)動電路、HALL解碼電路、限流保護(hù)電路、速度環(huán)于一體，其結(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉、集成度高、可靠性好。電機(jī)驅(qū)動外圍電路如圖5所示。

圖5 MSK4310外圍電路原理圖Fig.5 Peripheral circuit principle diagram of MSK4310

選用三相無刷直流電機(jī)為升降執(zhí)行元件，通過接收A、B、C三相PWM波驅(qū)使電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，達(dá)到使負(fù)載上升下降的目的。電機(jī)采用制動器制動，制動器正常工作電壓為+24 V，當(dāng)制動器掉電，電機(jī)呈現(xiàn)抱死狀態(tài)。系統(tǒng)在高速運行中突然出現(xiàn)電機(jī)抱死狀態(tài)，會出現(xiàn)硬力碰撞，從而傷害電機(jī)、損壞機(jī)構(gòu)。為了避免上述情況，系統(tǒng)采用軟剎車功能，當(dāng)CPU判斷到位時，先由CPU送BRAKE剎車信號給功率放大模塊，電機(jī)減速至停止，待電機(jī)停止之后，制動器斷電，電機(jī)緊緊抱死，設(shè)備被準(zhǔn)確定位。采用這種控制策略，容易控制，安全性好，可靠性高。

4 控制器軟件設(shè)計

軟件采用C語言進(jìn)行模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主程序由時鐘初始化、I/O口初始化和主函數(shù)等構(gòu)成。本著簡化程序復(fù)雜度，提高程序可靠度的原則，對程序源代碼進(jìn)行了一層層的優(yōu)化。

上電進(jìn)行時鐘、I/O初始化，判斷單片機(jī)P1.5口是否為高電平，若為高說明收到上升指令，電機(jī)上升，然后判斷單片機(jī)P1.2口是否為低電平，若為低說明已經(jīng)上到位，然后停止。反之亦然。圖6為系統(tǒng)程序流程圖。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

5 試驗結(jié)果及結(jié)論

在室溫、負(fù)載25 kg條件下，完成300次升降，記錄30組數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 試驗數(shù)據(jù)圖Fig.7 Figure of experimental data

系統(tǒng)要求升降機(jī)構(gòu)上升時間和下降時間小于等于20秒，通過試驗結(jié)果可以看出，機(jī)構(gòu)運行時間準(zhǔn)確性高，能夠準(zhǔn)確完成系統(tǒng)的任務(wù)要求。同時機(jī)構(gòu)性能穩(wěn)定，上升下降平穩(wěn)，控制器發(fā)熱量小。達(dá)到了預(yù)期的控制效果。控制器具有如下特點：

1）升降機(jī)構(gòu)控制器采用MCU進(jìn)行數(shù)字信號處理。單片機(jī)C8051成熟度高、可靠性好。

2）功率放大部分選用了集成度更高的MSK4310，與傳統(tǒng)分立元件相比，集成度更高、抗干擾能力更強(qiáng)、控制更容易、結(jié)構(gòu)尺寸更小。

3）系統(tǒng)升降速率可以通過調(diào)整差分輸出模塊的特定電阻阻值調(diào)節(jié)分壓，進(jìn)行無極線性調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為1 V到5 V，操作方便。

6 結(jié) 論

通過實驗驗證，升降機(jī)構(gòu)的行星輪同步帶設(shè)計保證了設(shè)備升降的平行性和穩(wěn)定性，而升降機(jī)構(gòu)控制器的設(shè)計極大提高了機(jī)構(gòu)的自動化水平。本設(shè)計為升降機(jī)構(gòu)高安全系數(shù)、高可靠性提供了保證，同時為無人機(jī)載設(shè)備小型化做出了貢獻(xiàn)。同時，這一設(shè)計適用于大多數(shù)三相電機(jī)的控制系統(tǒng)，有很強(qiáng)的實用價值。

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