飛行器姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)

1、 飛行器控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心飛行器控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心設(shè)備概述v 由深圳市元?jiǎng)?chuàng)興科技有限公司設(shè)計(jì)制作的飛行器姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它采用通用運(yùn)動(dòng)控制器和PC機(jī)作為控制系統(tǒng)平臺(tái)，提供了一個(gè)開(kāi)放的研究平臺(tái)。該系統(tǒng)主體由一個(gè)小型三軸轉(zhuǎn)臺(tái)、控制箱和控制用計(jì)算機(jī)組成，配備有導(dǎo)引頭-十字靶標(biāo)模塊、慣性測(cè)量單元模塊、帶舵機(jī)和尾翼的超小型導(dǎo)彈模型模塊等三個(gè)可供選擇模塊。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備1轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 臺(tái)臺(tái)小型三自由度轉(zhuǎn)臺(tái)小型三自由度轉(zhuǎn)臺(tái) 該轉(zhuǎn)臺(tái)是一種教學(xué)用測(cè)試飛行仿真臺(tái)。 由機(jī)械臺(tái)體與測(cè)控系統(tǒng)兩大部分組成，臺(tái)體采用 U-U-T 結(jié)構(gòu)形式。具有 位置、速率、搖擺和仿真運(yùn)動(dòng)功能 ；可用于各類(lèi)飛行器目標(biāo)特性（天線、光學(xué)）飛

2、行控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)。 轉(zhuǎn)臺(tái)的3個(gè)軸均采用直流力矩電機(jī)+增量式光電編碼器控制。 外環(huán)(X軸):H90LYX03，編碼器為10000線。 中環(huán)(Y軸):H70LYX01，編碼器為10000線。 內(nèi)環(huán)(Z軸):45LYX02 ，編碼器為10000線。 2導(dǎo)引頭導(dǎo)引頭(攝像頭攝像頭)實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備v感光元件：CMOS 元件象素：500萬(wàn) v最大幀頻：60FPS 鏡頭：高清五玻鏡頭 v對(duì)焦方式：手動(dòng) 對(duì)焦范圍：30mm-無(wú)限遠(yuǎn)v傳輸接口：USB2.0 v產(chǎn)品特性：內(nèi)置有弱光增益技術(shù) 3慣性測(cè)量單元慣性測(cè)量單元 實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備v 慣性測(cè)量單元采用ANGLOG DEVICES公司的IMU組件ADIS16

3、365。 三軸陀螺儀ADIS16365vADIS16365 Sensor是一款完整的三軸陀螺儀與三軸加速計(jì)慣性檢測(cè)系統(tǒng)。這款傳感器結(jié)合了ADI公司的MEMS和混合信號(hào)處理技術(shù)，提供校準(zhǔn)的數(shù)字慣性檢測(cè)，是高集成度的解決方案。v通過(guò)SPI端口可以訪問(wèn)下列嵌入式傳感器： X、Y和Z軸角速率；X、Y和Z軸線性加速度；內(nèi)部溫度；電源；以及輔助模擬輸入。慣性傳感器在各個(gè)軸上執(zhí)行精度對(duì)準(zhǔn)，并對(duì)失調(diào)和靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)。 4導(dǎo)彈模型導(dǎo)彈模型 實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備導(dǎo)彈模型REI-MISSSILEv本導(dǎo)彈模型共有4個(gè)(2對(duì))尾翼，尾翼角度可調(diào)整，由2個(gè)舵機(jī)進(jìn)行控制。v控制尾翼的舵機(jī)采用串口發(fā)送命令方式進(jìn)行控制。舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角

4、度范圍為0180。v舵機(jī)由舵機(jī)專(zhuān)用控制板進(jìn)行控制，每塊舵機(jī)板能同時(shí)控制多達(dá)16路舵機(jī)，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制導(dǎo)彈尾翼的舵機(jī)分別連接控制板的第一路和第二路。移動(dòng)靶標(biāo)模塊REI-DRONEv靶標(biāo)的移動(dòng)部分采用極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)方式，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，半徑變化采用線型LED亮度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。v靶標(biāo)采用LED進(jìn)行導(dǎo)引頭識(shí)別，可以通過(guò)串口發(fā)送命令控制點(diǎn)亮任一LED。v步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角為1.8，驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行200細(xì)分。即發(fā)送40000脈沖步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈。運(yùn)動(dòng)控制器ADT-8940A1vADT-8940A1運(yùn)動(dòng)控制卡，是基于PCI總線的高性能四軸伺服/步進(jìn)控制卡，一個(gè)系統(tǒng)中可支持多達(dá)16塊控制卡，可控制64路伺服/步進(jìn)

5、電機(jī)，支持即插即用，采用脈沖輸出方式。v一塊ADT-8940A1卡有二個(gè)輸入/輸出接口，其中J1為62針插座，J2為37針插座。J1為X、Y、Z、A軸的脈沖輸出、開(kāi)關(guān)量輸入和開(kāi)關(guān)量輸出OUT0-OUT11的信號(hào)接線；J2為X、Y、Z、A軸的編碼器輸入和開(kāi)關(guān)量輸入的信號(hào)接線，以及開(kāi)關(guān)量輸出OUT12-OUT15信號(hào)的接線 。v分別用62PIN線和37PIN線將運(yùn)動(dòng)控制卡(插在PC機(jī)的PCI插槽中)與控制柜連接起來(lái)。v可使用運(yùn)動(dòng)控制卡的DEMO程序來(lái)測(cè)試運(yùn)動(dòng)控制卡的各項(xiàng)功能。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MLDS3810v 系統(tǒng)選用的伺服驅(qū)動(dòng)是MLDS3810直流伺服驅(qū)動(dòng)器。v 接收來(lái)自ADT-8940A1運(yùn)動(dòng)控制卡

6、的PWM和DIR控制信號(hào)。v 控制模式有三種：速度模式、位置模式以及采用步進(jìn)模式。本系統(tǒng)采用步進(jìn)模式。v 可通過(guò)串口，采用伺服運(yùn)控管理系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行參數(shù)修改。實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康牧私獗緦?shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理了解本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理 1通過(guò)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生加深對(duì)導(dǎo)彈姿態(tài)運(yùn)動(dòng)特性的理解通過(guò)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生加深對(duì)導(dǎo)彈姿態(tài)運(yùn)動(dòng)特性的理解 2自動(dòng)改變目標(biāo)點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤自動(dòng)改變目標(biāo)點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)要求 認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)1 認(rèn)真按著實(shí)驗(yàn)的方法、步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)認(rèn)真按著實(shí)驗(yàn)的方法、步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)2 能夠獨(dú)立操作陀螺的基本特性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颡?dú)立操作陀螺的基本特性實(shí)驗(yàn)3

7、寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)心得體會(huì)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告注意事項(xiàng)注意事項(xiàng)v使用前請(qǐng)仔細(xì)檢查連線。v跟蹤過(guò)程中在讓靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，最好靶標(biāo)速度不要超過(guò)20度每秒。LED燈變化速率要大于0.8秒。v控制柜應(yīng)該保持良好接地，實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地必須提供接地良好的電源輸入。v 遵循“先弱電、后強(qiáng)電”的步驟，開(kāi)機(jī)時(shí)先開(kāi)啟PC電源，再開(kāi)啟控制箱的電源；關(guān)機(jī)的順序相反。v 在轉(zhuǎn)臺(tái)控制箱電源打開(kāi)的情況下，不要打開(kāi)控制箱，不要帶電操作。此種情況可能會(huì)導(dǎo)致灼傷或觸電。v 伺服上電操作后，轉(zhuǎn)臺(tái)已經(jīng)處于待運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，任何非法操作，都可能引起轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。因此在系統(tǒng)上電以前，請(qǐng)確認(rèn)所有人員均不在轉(zhuǎn)臺(tái)工作空間范圍內(nèi)。v 在系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，所有

8、人員不得進(jìn)入系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)。v 使用控制軟件操作轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)，應(yīng)該確保在發(fā)生緊急情況時(shí)能夠快速通過(guò)控制箱上急停按鈕切斷電機(jī)電源。v 任何實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前轉(zhuǎn)臺(tái)一定要先進(jìn)行回零動(dòng)作!v 在進(jìn)行系統(tǒng)連線、拆卸與安裝前，必須關(guān)閉系統(tǒng)所有電源。v 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)嚴(yán)禁將手或身體的其他部位伸入轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分。v 攝像頭不用時(shí)，鏡頭蓋要蓋上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上一頁(yè)上一頁(yè)下一頁(yè)下一頁(yè)目錄頁(yè)目錄頁(yè)說(shuō)明說(shuō)明 精確制導(dǎo)精確制導(dǎo)精確制導(dǎo)系統(tǒng)由導(dǎo)引系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其中，導(dǎo)引系統(tǒng)精確制導(dǎo)系統(tǒng)由導(dǎo)引系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其中，導(dǎo)引系統(tǒng)一般包括探測(cè)設(shè)備和計(jì)算變換設(shè)備。其功能是測(cè)量制導(dǎo)武器一般包括探測(cè)設(shè)備和計(jì)算變換設(shè)備。其功能是測(cè)量制導(dǎo)武器與

9、目標(biāo)的相對(duì)位置和速度與目標(biāo)的相對(duì)位置和速度,計(jì)算出實(shí)際飛行彈道與理論彈道的計(jì)算出實(shí)際飛行彈道與理論彈道的偏差，給出消除偏差的指令。而控制系統(tǒng)則通常由敏感設(shè)備、偏差，給出消除偏差的指令。而控制系統(tǒng)則通常由敏感設(shè)備、綜合設(shè)備、放大變換裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)綜合設(shè)備、放大變換裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(伺服機(jī)構(gòu)伺服機(jī)構(gòu))組成。其功組成。其功能是根據(jù)導(dǎo)引系統(tǒng)給出的制導(dǎo)指令和制導(dǎo)武器的姿態(tài)參數(shù)形能是根據(jù)導(dǎo)引系統(tǒng)給出的制導(dǎo)指令和制導(dǎo)武器的姿態(tài)參數(shù)形成綜合控制信號(hào)，再由執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整控制制導(dǎo)武器的運(yùn)動(dòng)或成綜合控制信號(hào)，再由執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整控制制導(dǎo)武器的運(yùn)動(dòng)或姿態(tài)直至其命中目標(biāo)。姿態(tài)直至其命中目標(biāo)。精確制導(dǎo)系統(tǒng)組成精確制導(dǎo)系統(tǒng)組成導(dǎo)引

10、頭跟蹤目標(biāo)模擬實(shí)驗(yàn)原理 實(shí)驗(yàn)步驟 v 1、檢查電源線、數(shù)據(jù)線是否安裝正確。v 2、將攝像頭用螺絲固定在內(nèi)環(huán)上，將攝像頭的USB線連接至PC機(jī)的USB口。v 2、用串口延長(zhǎng)線(直連線)將控制柜后面控制LED燈的串口與PC機(jī)的串口(COM1口)連接。v 3、將背景布布置在靶標(biāo)的后面。v 4、打開(kāi)控制箱后面板的電源總開(kāi)關(guān)。打開(kāi)電控箱電源，解除急停，按下啟動(dòng)按鈕。半旋轉(zhuǎn)按下控制箱前面板的系統(tǒng)上強(qiáng)電按鈕（右邊紅色按鈕），此時(shí)紅色指示燈亮，然后按下電機(jī)上伺服按鈕（下邊綠色按鈕），此時(shí)綠色指示燈亮。v 5、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行MATLAB軟件，在C:MATLAB7workReinovo_Matlab下，點(diǎn)擊運(yùn)行

11、Reinovo_PT.fig，則彈出控制界面圖控制柜接口定義實(shí)驗(yàn)步驟 現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試圖實(shí)驗(yàn)界面主界面實(shí)驗(yàn)步驟 v 6、點(diǎn)擊“視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)”按鈕就可以進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)的控制界面。v 7、各個(gè)實(shí)驗(yàn)每次實(shí)驗(yàn)前都需要先初始化。主界面的左上角菜單項(xiàng)包括FILE和TOOL。TOOL子菜單用來(lái)初始化系統(tǒng)硬件，點(diǎn)擊TOOL菜單，按照順序依次單擊：運(yùn)動(dòng)控制卡初始化；視頻攝像頭初始化；LED燈初始化。實(shí)驗(yàn)步驟 v8、轉(zhuǎn)臺(tái)工作之前都需要進(jìn)行回零操作。使點(diǎn)亮的LED剛好位于圖像的中心位置。若點(diǎn)亮的LED燈不是第24號(hào)燈，可以用 運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)DEMO程序控制第24號(hào)LED燈點(diǎn)亮。v9、若回零后攝像頭不是正對(duì)著第24號(hào)LED燈(這樣

12、可以保證點(diǎn)亮的LED剛好位于圖像的中心位置)，可以修改回零時(shí)遇到限位開(kāi)關(guān)后各個(gè)軸的相對(duì)偏移量。v10、點(diǎn)擊 LED變化變化 ，點(diǎn)擊“靶標(biāo)移動(dòng)”按鈕，選擇靶標(biāo)靜止?fàn)顟B(tài)。點(diǎn)擊“開(kāi)始跟蹤開(kāi)始跟蹤”按鈕，程序?qū)⒏橪ED變化，始終保持點(diǎn)亮的LED燈位于圖像的中心位置。實(shí)驗(yàn)步驟 v 11、在控制方式選擇模塊中對(duì)LED燈進(jìn)行設(shè)置，在LED框輸入任意一要點(diǎn)亮的燈號(hào)（148），比如“3”號(hào)燈，點(diǎn)擊“LED”按鈕，3號(hào)燈就被點(diǎn)亮。再點(diǎn)擊“開(kāi)始跟蹤”按鈕，系統(tǒng)開(kāi)始遵循控制方案讓轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。 v 注：LED燈起始燈號(hào)為24號(hào)燈，LED變化速率為1秒（應(yīng)不小于最小值1秒）?？梢钥吹阶筮叺淖鴺?biāo)軸中會(huì)顯示當(dāng)前攝像

13、機(jī)返回的圖像，可以看見(jiàn)目標(biāo)點(diǎn)。坐標(biāo)圖像顯示區(qū)域則顯示目標(biāo)實(shí)時(shí)位置，觀察圖中曲線走勢(shì)，綠色為俯仰角度，紅色為偏航角度。v 12、在控制方式選擇模塊中對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行設(shè)置。點(diǎn)擊“靶標(biāo)移動(dòng)”按鈕，選擇靶標(biāo)移動(dòng)狀態(tài)。靶標(biāo)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，靶標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)速度設(shè)定在1度每秒（不超過(guò)最大值15度每秒）。點(diǎn)擊“LED”按鈕，再點(diǎn)擊“開(kāi)始跟蹤”按鈕，系統(tǒng)開(kāi)始遵循控制方案跟蹤目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。v 實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉程序，關(guān)閉電控箱，最后關(guān)閉主機(jī)。認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)效果圖 實(shí)驗(yàn)原理v導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)和動(dòng)態(tài)特性可以由三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)模擬。三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的空間結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-8-5所示，此時(shí)三個(gè)軸是相互正交關(guān)系。三個(gè)軸由外至

14、里依次是：方位軸(a)、俯仰軸(e)和橫滾軸(r)，橫滾軸框架固定在俯仰軸框架內(nèi)，俯仰軸框架固定在方位軸框架內(nèi)。方位軸的運(yùn)動(dòng)用來(lái)模擬導(dǎo)彈的偏航運(yùn)動(dòng)，俯仰軸的運(yùn)動(dòng)用來(lái)模擬導(dǎo)彈的俯仰運(yùn)動(dòng)，橫滾軸的運(yùn)動(dòng)用來(lái)模擬導(dǎo)彈的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣，三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)就實(shí)現(xiàn)了對(duì)導(dǎo)彈姿態(tài)運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)特性的模擬。 圖5-11 三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖實(shí)驗(yàn)步驟 v 1、檢查電源線、數(shù)據(jù)線是否安裝正確。v 2、將攝像頭用螺絲固定在內(nèi)環(huán)上，將攝像頭的USB線連接至PC機(jī)的USB口。v 2、用串口延長(zhǎng)線(直連線)將控制柜后面控制LED燈的串口與PC機(jī)的串口(COM1口)連接。v 3、將背景布布置在靶標(biāo)的后面。v 4、打開(kāi)控制箱后面板

15、的電源總開(kāi)關(guān)。打開(kāi)電控箱電源，解除急停，按下啟動(dòng)按鈕。半旋轉(zhuǎn)按下控制箱前面板的系統(tǒng)上強(qiáng)電按鈕（右邊紅色按鈕），此時(shí)紅色指示燈亮，然后按下電機(jī)上伺服按鈕（下邊綠色按鈕），此時(shí)綠色指示燈亮。v 5、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行MATLAB軟件，在C:MATLAB7workReinovo_Matlab下，點(diǎn)擊運(yùn)行Reinovo_PT.fig，則彈出控制界面圖。實(shí)驗(yàn)步驟 主界面實(shí)驗(yàn)步驟 v點(diǎn)擊“運(yùn)動(dòng)DEMO”按鈕就可以進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)的控制界面 實(shí)驗(yàn)步驟 v 7、各個(gè)實(shí)驗(yàn)每次實(shí)驗(yàn)前都需要先初始化。主界面的左上角菜單項(xiàng)包括FILE和TOOL。TOOL子菜單用來(lái)初始化系統(tǒng)硬件，點(diǎn)擊TOOL菜單，按照順序依次單擊：運(yùn)動(dòng)控制卡初始化；視頻攝像頭初始化；LED燈初始化。v 8、轉(zhuǎn)臺(tái)工作之前都需要進(jìn)行回零操作。使點(diǎn)亮的LED剛好位于圖像的中心位置。若點(diǎn)亮的LED燈不是第24號(hào)燈，可以用 運(yùn)動(dòng)DEMO程序控制第24號(hào)LED燈點(diǎn)亮。v9、在控制方式選擇模塊中對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行設(shè)定，輸入10