編碼器碼盤(pán)上的圓周等分條紋數(shù)為600，被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)一周，編碼器的A、B兩相分別發(fā)出600個(gè)脈沖，A、B兩相的脈沖當(dāng)量即對(duì)應(yīng)的角度P=360°/600。由于對(duì)B脈沖一個(gè)周期進(jìn)行了2次計(jì)數(shù)，則FA1計(jì)數(shù)的每一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度為P/2。編碼器的旋轉(zhuǎn)角度即三自由度直升機(jī)的俯仰角angle00=(FA1-30 000)×P/2。
　　同理，對(duì)三自由度直升機(jī)橫側(cè)時(shí)編碼器輸出的3個(gè)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，算出橫側(cè)的角度。
　　(3)PWM輸出
　　通過(guò)PID控制算出的電壓，經(jīng)由EasyARM1138開(kāi)發(fā)板Timer2產(chǎn)生PWM方波信號(hào)，以此來(lái)輸出控制2個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)的電壓輸入。
　　設(shè)置Timer2模塊中TimerA和TimerB的初值為6 000，其輸出的電壓范圍為0 V～3.3 V。PID控制算出的電壓V00與TimerA和TimerB裝載的匹配值對(duì)應(yīng)成線性變化，比例系數(shù)為K=0.3。匹配值 MP1=V00×K×6 000（0≤V00×K≤1）。匹配值隨著PID控制算出的電壓變化而變化，然后根據(jù)PWM占空比輸出對(duì)應(yīng)的電壓控制三自由度直升機(jī)的2個(gè)電機(jī)。
2.2.2 控制律生成方法
　　控制律生成方法分為系統(tǒng)建模和PID控制兩部分。系統(tǒng)建模的過(guò)程具體可以參見(jiàn)固高公司的產(chǎn)品手冊(cè)[4]。
　　2個(gè)電機(jī)的輸出電壓采用增量式數(shù)字PID控制算法，用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)：
　

　　V01是電機(jī)1當(dāng)前的電壓，V00是電機(jī)1上一次采樣時(shí)的電壓，Ee[i]是三次采樣俯仰角的角度誤差值；
　　V11是電機(jī)2當(dāng)前的電壓，V10是電機(jī)2上一次采樣時(shí)的電壓，Ep[i]是三次采樣橫側(cè)角的角度誤差值。
3 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果
　　為了對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行測(cè)試，特采用數(shù)字示波器(Tektronix TDS220)和萬(wàn)用表對(duì)飛行搖桿給出的俯仰角和橫側(cè)角的指令信號(hào)，以及三自由度直升機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出的實(shí)際俯仰角和橫側(cè)角信號(hào)進(jìn)行測(cè)試和分析。測(cè)試工具還需要EasyARM1138調(diào)試開(kāi)發(fā)軟件IAR Embedded Workbench for ARM 5.11及相應(yīng)的內(nèi)嵌USB接口的下載仿真器。
　　搖桿信號(hào)與三自由度直升機(jī)信號(hào)分別接到控制盒的兩端，這時(shí)將程序加載到EasyARM1138開(kāi)發(fā)板中，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試。
3.1 三自由度直升機(jī)的啟動(dòng)與穩(wěn)定運(yùn)行
　　打開(kāi)三自由度直升機(jī)電機(jī)的電源，保持搖桿的平衡狀態(tài)及運(yùn)行程序，三自由度直升機(jī)的俯仰軸會(huì)平穩(wěn)地向上轉(zhuǎn)動(dòng)，俯仰角穩(wěn)定地由-30°變化到0°。當(dāng)俯仰角穩(wěn)定下來(lái)后，俯仰軸基本上不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這時(shí)的俯仰角軸旋轉(zhuǎn)編碼器的測(cè)量信號(hào)理想值應(yīng)該是一條平穩(wěn)的直線，沒(méi)有任何脈沖產(chǎn)生。但實(shí)際上可能會(huì)存在小幅振動(dòng)，對(duì)應(yīng)信號(hào)圖形為少數(shù)的脈沖信號(hào)。
　　圖4中每格的時(shí)間長(zhǎng)度為1 s。由圖4可知，在10 s的時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，俯仰角旋轉(zhuǎn)編碼器輸出了少量脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)角度變化為0.3°(上下波動(dòng))。
　　在理解此圖的基礎(chǔ)上，對(duì)圖5所示的圖形也就不難理解了。圖5中給出的是俯仰角由-30°變化到0°時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出波形。

　　可以看出，俯仰角為-30°和0°時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出都近似為直線，或只有很少的脈沖。而在從-30°變化到0°的變化過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出表現(xiàn)為密集的脈沖信號(hào)，而且剛開(kāi)始的時(shí)候脈沖比較密，后面稍微稀疏。對(duì)應(yīng)為俯仰角的變化過(guò)程，開(kāi)始時(shí)角度變化速度比較快，后面稍慢。
　　對(duì)于該過(guò)程，采用EasyARM1138串口通信把旋轉(zhuǎn)編碼器的角度數(shù)據(jù)讀入電腦，然后通過(guò)Matlab繪制得到如圖6所示的數(shù)據(jù)變化曲線。

3.2 三自由度直升機(jī)的增穩(wěn)
　　當(dāng)三自由度直升機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，若有外部擾動(dòng)，例如陣風(fēng)等沖擊信號(hào)作用在三自由度直升機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，則在控制器的作用下，系統(tǒng)應(yīng)該能自動(dòng)抵御該擾動(dòng)，擾動(dòng)消除后，系統(tǒng)恢復(fù)到原來(lái)位置。
　　圖7給出了三自由度直升機(jī)的俯仰軸受到?jīng)_擊擾動(dòng)時(shí)的俯仰角旋轉(zhuǎn)編碼器輸出信號(hào)波形。由圖7可以看出，擾動(dòng)作用剛發(fā)生瞬時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器開(kāi)始輸出密集的脈沖，表明此時(shí)俯仰軸在做持續(xù)運(yùn)動(dòng)。而擾動(dòng)發(fā)生以前和擾動(dòng)過(guò)去一定時(shí)間后，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出為少量的脈沖信號(hào)，表明俯仰軸基本上處于平衡狀態(tài)。

　　在該過(guò)程中，采用EasyARM1138串口通信把旋轉(zhuǎn)編碼器的角度數(shù)據(jù)讀入電腦，然后通過(guò)Matlab繪制得數(shù)據(jù)變化曲線如圖8。
3.3 討論
　　(1)系統(tǒng)的連調(diào)過(guò)程只給出了系統(tǒng)的輔助操縱過(guò)程的輸出通道效果。因?yàn)樗玫腡ektronix TDS220數(shù)字示波器在測(cè)試雙通道信號(hào)時(shí)，2個(gè)通道信號(hào)的波形存在時(shí)間偏差，所以無(wú)法同時(shí)給出理想的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的對(duì)比波形。
　　(2)對(duì)于系統(tǒng)的另外兩個(gè)工作模式，“全自動(dòng)駕駛”的效果與圖8類(lèi)似，而“改平”功能的效果與圖6相似，在此不多敘述。

　　(3)由于三自由度直升機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器為增量式的旋轉(zhuǎn)編碼器，只能反映角度的變化量，因此，看到的穩(wěn)態(tài)情況下編碼器輸出脈沖數(shù)都近似為零。而當(dāng)前角度的計(jì)算方法是：初始角度+角度變化量。系統(tǒng)對(duì)俯仰角和橫側(cè)角的穩(wěn)定，實(shí)際上是對(duì)相對(duì)初始角度變化量的穩(wěn)定。
　　本文討論了三自由度直升機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全部開(kāi)發(fā)過(guò)程。控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試，各項(xiàng)功能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因此整體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路可行，設(shè)計(jì)結(jié)果合理、可靠。其方法可以推廣應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)小型無(wú)人直升機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，可以為研制真實(shí)的數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)提供技術(shù)儲(chǔ)備，可以應(yīng)用于其他運(yùn)動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)。