无人机载光电任务设备升降机构的控制器设计

张文博，王惠林，吕勃龙，吴 辉，邹美英

（西安应用光学研究所 陕西 西安 710065）

无人机载光电任务设备升降机构是为了实现光电任务设备在特定空域自主升降而设计的。当无人机在巡航时，升降机构将光电设备降至合适的位置，保证其搜索、探测、识别、跟踪等功能的无障碍实现；当无人机在起飞和降落时，升降机构将光电设备升至无人机舱段内的安全位置，使其在受到较大冲击时，免受损坏，保证其安全性；同时，当无人机不使用光电设备时，升降机构将其升起至机舱舱段内，也可以保证无人机飞行时的机体空气动力学特性[1]。因此，升降机构的可靠正常工作是光电任务设备完成任务使命和安全使用的前提，基于此，要求升降机构及其控制器安全系数高、可靠性好，同时为满足无人机装载条件，要求体积重量小。

1 升降机构简介

升降机构为无人机载产品，机构实现遵循简捷、适用、重量轻、体积小等原则，保证升降运动平稳自如、可靠安全。机构具有限位功能，在升降的任意位置有良好的自锁功能。本文所控制的升降机构如图1所示，选择行星轮同步带升降机构设计，升降机构由升降平台和控制盒两部分组成，控制盒置于平台外侧。升降平台由三个薄壁框架、四根光杆及四根丝杠组成整体框架。其中第一层、第三层薄壁框架是固定框架，这两层框架通过光杆及丝杠连接起来，支撑起整个升降平台，两层框架上均开有孔洞，保证光电设备的无障碍升降运动。第二层薄壁框架是活动框架，光电设备通过安装螺栓固定在该层框架上，用电机通过同步齿形带带动丝杠转动驱使活动框架上下运动来达到升降光电设备的目的。

图1 升降机构结构示意图Fig.1 Lifting mechanism structure diagram

2 控制器工作原理

控制器以单片机C8051F320为升降机构主控芯片，结合芯片MSK4310的功率放大作用，配合限位开关实现定点升降功能[2]。

图2 工作原理图Fig.2 The working principle of figure

升降机构的工作原理是：当系统上电，升降机构初始化，上升至顶位，等待飞机发送控制指令。当飞机给出控制信号，系统自动判断上升或者下降。同时判断是否上到位或者下到位。到位后，给飞机返回到位指令。工作原理见图2。

3 控制器硬件设计

升降机构控制器[3]主要由C8051单片机和MSK公司生产的驱动芯片MSK4310组成，主要包括电气接口部分、光电隔离部分、数字信号处理模块、差分输出模块、电机驱动控制模块。飞机控制信号通过光耦器件PS2805转化为单片机I/O口可以接受的3.3 V，单片机对输入的数据进行算法处理，通过差分输出模块得到差分电压信号给电机驱动控制模块，生成相应PWM波输出给电机[4]。整个系统如图3所示。

图3 升降机构控制器系统示意图Fig.3 Lifting mechanism controller system schematic diagram

3.1 光电隔离

控制器在数字信号输入级用到了光电隔离技术。在输入级，由于单片机接收的控制信号为3.3 V，为了避免飞机给的高电压控制信号CON损坏单片机I/O口，两级之间加入光耦PS2805芯片，具体如图4所示。

图4 光耦输入隔离Fig.4 OCinput isolation

3.2 数字信号处理模块

控制器数字信号处理模块是以单片机C8051F320为主处理芯片MCU，实时采集飞控信号、到位信号等进行数据处理。单片机内集成了17通道模拟多路选择器（AMUX0）和1个200 ksps的10位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。MCU接收到控制信号高低电平时，P1.2口和P1.3口输出相反电平，经过两片LM193比较器进行电压比较，形成差分输出电压信号，比较器后级接上拉电阻提高输出驱动能力。

3.3 电机驱动控制模块

传统分立元件MOSFET搭建三相桥电路，不但结构尺寸较大，容易出现信号波形失真等情况，而且其外围驱动电路复杂，还需加入硬件HALL解码或者在MCU内加入软件HALL解码。与其相比，MSK公司的驱动芯片MSK4310集成波形发生器电路、门驱动电路、HALL解码电路、限流保护电路、速度环于一体，其结构紧凑、价格低廉、集成度高、可靠性好。电机驱动外围电路如图5所示。

图5 MSK4310外围电路原理图Fig.5 Peripheral circuit principle diagram of MSK4310

选用三相无刷直流电机为升降执行元件，通过接收A、B、C三相PWM波驱使电机正转或者反转，达到使负载上升下降的目的。电机采用制动器制动，制动器正常工作电压为+24 V，当制动器掉电，电机呈现抱死状态。系统在高速运行中突然出现电机抱死状态，会出现硬力碰撞，从而伤害电机、损坏机构。为了避免上述情况，系统采用软刹车功能，当CPU判断到位时，先由CPU送BRAKE刹车信号给功率放大模块，电机减速至停止，待电机停止之后，制动器断电，电机紧紧抱死，设备被准确定位。采用这种控制策略，容易控制，安全性好，可靠性高。

4 控制器软件设计

软件采用C语言进行模块化结构设计，主程序由时钟初始化、I/O口初始化和主函数等构成。本着简化程序复杂度，提高程序可靠度的原则，对程序源代码进行了一层层的优化。

上电进行时钟、I/O初始化，判断单片机P1.5口是否为高电平，若为高说明收到上升指令，电机上升，然后判断单片机P1.2口是否为低电平，若为低说明已经上到位，然后停止。反之亦然。图6为系统程序流程图。

图6 主程序流程图Fig.6 Main program flow chart

5 试验结果及结论

在室温、负载25 kg条件下，完成300次升降，记录30组数据，如图7所示。

图7 试验数据图Fig.7 Figure of experimental data

系统要求升降机构上升时间和下降时间小于等于20秒，通过试验结果可以看出，机构运行时间准确性高，能够准确完成系统的任务要求。同时机构性能稳定，上升下降平稳，控制器发热量小。达到了预期的控制效果。控制器具有如下特点：

1）升降机构控制器采用MCU进行数字信号处理。单片机C8051成熟度高、可靠性好。

2）功率放大部分选用了集成度更高的MSK4310，与传统分立元件相比，集成度更高、抗干扰能力更强、控制更容易、结构尺寸更小。

3）系统升降速率可以通过调整差分输出模块的特定电阻阻值调节分压，进行无极线性调节，调节范围为1 V到5 V，操作方便。

6 结 论

通过实验验证，升降机构的行星轮同步带设计保证了设备升降的平行性和稳定性，而升降机构控制器的设计极大提高了机构的自动化水平。本设计为升降机构高安全系数、高可靠性提供了保证，同时为无人机载设备小型化做出了贡献。同时，这一设计适用于大多数三相电机的控制系统，有很强的实用价值。

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