多單片機(jī)通信的無人機(jī)飛行安控器設(shè)計(jì)

某國產(chǎn)大型高亞音速無人機(jī)采用的是遙控+自動駕駛儀體制控制飛行，該型無人機(jī)目前還不具備自主導(dǎo)航飛行能力，主要依靠接收地面遙控指令完成飛行任務(wù)。在遙控系統(tǒng)發(fā)生故障等不受控情況下，有可能飛出預(yù)定區(qū)域，給周邊大城市或重要目標(biāo)帶來威脅甚至造成重大損失。為此設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)飛行安控器，當(dāng)無人機(jī)飛出預(yù)定區(qū)域時，安控器執(zhí)行安控指令，使無人機(jī)自行墜毀在預(yù)定區(qū)域邊沿。
由于無人機(jī)對安控器執(zhí)行安控的可靠性要求較高，為了保證該系統(tǒng)的安全使用，對系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，并采取了多種可靠性措施。

1 工作原理
無人機(jī)飛行安控器通過控制舵機(jī)離合器供電線路的通斷達(dá)到安全控制的目的。首先給安控器裝訂一個安全區(qū)域，存入EEPROM。安控器的主控微處理器通過并行方式與輔助微處理器通信，獲取GPS數(shù)據(jù)，并計(jì)算和判斷無人機(jī)是否在預(yù)先裝訂的安全區(qū)域以內(nèi)。當(dāng)飛出安全區(qū)域時，安控器向執(zhí)行電路輸出控制信號斷開舵機(jī)離合器供電線路，使升降舵處于最大正舵面，無人機(jī)在空氣動力的作用下，處于失速狀態(tài)，快速墜毀。
安控器的主控微處理器還可以通過并行方式與另一輔助微處理器進(jìn)行通信，向其輸出GPS的解算數(shù)據(jù)，通過數(shù)傳電臺或數(shù)據(jù)線發(fā)送給地面監(jiān)控微機(jī)。生成無人機(jī)飛行航跡，供領(lǐng)航參考；或者接收地面監(jiān)控微機(jī)發(fā)送的GPS仿真數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證裝訂的預(yù)定區(qū)域是否正確。

2 硬件設(shè)計(jì)
安控器主要由GPS接收機(jī)、主控電路、執(zhí)行電路、加溫電路和數(shù)傳電臺組成，如圖1所示。其中，主控電路和執(zhí)行電路組成主機(jī)板，完成安控判斷和決策任務(wù)。

2．1 主控電路
主控電路由3片單片機(jī)及其外圍電路組成，實(shí)現(xiàn)與GPS接收機(jī)和地面監(jiān)控微機(jī)的同時通信，以及進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算和判斷處理。
主控單片機(jī)采用Atmel公司的AT89C52，2片輔助單片機(jī)則采用AT89C4051。它們之間通過并口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其硬件連接如圖2所示。圖中U3只向主控單片機(jī)U1傳送GPS數(shù)據(jù)，所以除數(shù)據(jù)線外只用到了3根信號線，分別是中斷申請信號線、讀信號及寫信號線。U4與Ul的通信是雙向的，所以多了一根數(shù)據(jù)傳送方向信號線F_WR。具體的數(shù)據(jù)交換操作見后面的相關(guān)程序片段。
在設(shè)計(jì)中，主控單片機(jī)的串口用于與地面監(jiān)控微機(jī)通信進(jìn)行安控區(qū)域的數(shù)據(jù)裝訂和讀取。一個輔助單片機(jī)的串口與GPS接收機(jī)進(jìn)行通信，獲取相關(guān)的GPS信息，包括日期、時間、經(jīng)緯度、速度、航向和高度等，并轉(zhuǎn)換成固定格式提供給主控單片機(jī)進(jìn)行是否在預(yù)定區(qū)域的數(shù)據(jù)計(jì)算。另一個輔助單片機(jī)的串口則與地面監(jiān)控微機(jī)或者數(shù)傳電臺通信，一方面下傳GPS信息及解算結(jié)果，另一方面也可以獲取仿真GPS數(shù)據(jù)從而驗(yàn)證預(yù)定區(qū)域裝訂的正確性。
2.2 執(zhí)行電路
執(zhí)行電路采取了雙冗余度設(shè)計(jì)，即構(gòu)建兩路完全相同的執(zhí)行電路：通過主控單片機(jī)的P0．4腳和P0．5腳分別控制兩個光耦，進(jìn)而控制兩個大功率MOS管IRF9540。只有兩路執(zhí)行電路都工作才能斷開舵機(jī)離合器電源，保證了執(zhí)行安控的可靠性。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 并行通信實(shí)現(xiàn)
下面以圖2中的Ul與U4通信為例說明并行通信編程實(shí)現(xiàn)方法。U1首先向U4發(fā)中斷請求信號，U4接收到中斷請求信號后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，并判斷數(shù)據(jù)傳送方向。如果是要求發(fā)送數(shù)據(jù)，則當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后應(yīng)答U1并將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線上，等待U1取走數(shù)據(jù)，U1在接收到應(yīng)答信號后，即從總線上取走數(shù)據(jù)并回應(yīng)U4，U4即可準(zhǔn)備下一個數(shù)據(jù)。下面為用Keil C51語言編寫的數(shù)據(jù)交換程序的相關(guān)片段。

主控單片機(jī)Ul中的相關(guān)程序片段：

3．2 安控判定算法
側(cè)偏距是指無人機(jī)到矢量航線的垂直距離。設(shè)(xa，ya)、(xb，yb)為矢量航線兩端點(diǎn)坐標(biāo)，(x，y)為無人機(jī)當(dāng)前坐標(biāo)，航線方程可表示為Az+By+C=0。其中，A=ya-yb，B=xa-xb，C=xayb-xbya，則側(cè)偏距△Z為：

若側(cè)偏距為負(fù)，則無人機(jī)位于航線的左側(cè)；若側(cè)偏距為正，則無人機(jī)位于航線右側(cè)。
設(shè)定一個由矢量航線按順時針方向組成的封閉凸邊形，組成判定區(qū)域。若無人機(jī)當(dāng)前位置位于所有矢量航線的右側(cè)時，無人機(jī)在判定區(qū)域內(nèi)；若無人機(jī)當(dāng)前位置只要位于一條矢量航線左側(cè)，則無人機(jī)在判定區(qū)域外。
實(shí)際使用的判定區(qū)域由二個凸邊形組成，稱為“安全區(qū)域”，如圖3所示。其中，內(nèi)凸邊形稱為“安控預(yù)警線”，外凸邊形稱為“安控警戒線”。

3．3 主控單片機(jī)程序流程
主控單片機(jī)AT89C52主要完成判斷當(dāng)前位置是否在預(yù)先裝訂的安全控制區(qū)域內(nèi)。如果超出預(yù)警線，則發(fā)出警告，并繼續(xù)判斷是否超出警戒線，在連續(xù)十次判斷超出警戒線后則執(zhí)行安控動作。圖4為其主程序流程框圖。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
將安控器進(jìn)行動態(tài)距離試驗(yàn)，地面軟件監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。圖中的兩個凸多邊形區(qū)域即為裝訂的安全區(qū)域。圖中顯示的是安控器在警戒線之外執(zhí)行安控的結(jié)果，此時舵機(jī)離合器電源斷開。
在某次無人機(jī)供靶試驗(yàn)中，因遙控接收機(jī)故障出現(xiàn)了無人機(jī)不受控的危險情況，安控系統(tǒng)正確執(zhí)行了安控，使無人機(jī)成功墜毀于警戒線外圍附近，表明無人機(jī)飛行安控器達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用要求。

5 結(jié)論
本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)多機(jī)通信實(shí)現(xiàn)了串口的擴(kuò)展，可應(yīng)用于無人機(jī)關(guān)鍵部位的飛行安控器，實(shí)際應(yīng)用表明，單片機(jī)多機(jī)通信硬件結(jié)構(gòu)簡單，編程靈活方便，系統(tǒng)工作可靠。本文所介紹的設(shè)計(jì)思路對于無人飛行器的可靠性設(shè)計(jì)具有較高的參考價值。