基于ARM的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的研究實(shí)現(xiàn)

一、引言

無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是一種具有高性能的自主導(dǎo)航、自動飛行控制、任務(wù)管理的綜合系統(tǒng)，需要進(jìn)行大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理與數(shù)學(xué)運(yùn)算。飛控計(jì)算機(jī)是飛行控制系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，隨著航空航 天技術(shù)的發(fā)展，飛控計(jì)算機(jī)向著高精度和小型化方向發(fā)展。高精度要求無人機(jī)的制導(dǎo)控制精度高、穩(wěn)定性好，能夠適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境，致使控制算法比較復(fù)雜，計(jì) 算速度快、精度高。小型化則對控制控制系統(tǒng)的重量和體積提出了更高的要求，要求計(jì)算機(jī)的性能越高越好，體積越小越好。性能指標(biāo)和體積限制迫切需要研制新型 的飛控計(jì)算機(jī)。

二、飛控計(jì)算機(jī)與外圍的接口設(shè)計(jì)要求

基 于ARM的飛行控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)。接口設(shè)計(jì)是一個重要環(huán)節(jié)，其質(zhì)量將直接影響系統(tǒng)的性能，信號輸入輸出時要考慮抗干擾性，所設(shè) 計(jì)的整體方案要易于實(shí)現(xiàn)，對不同型號的無人機(jī)要有一定的適應(yīng)性。對于要求相近的型號，應(yīng)該以修改控制軟件為主，以少改動或不改動硬件設(shè)計(jì)為好，這些要求都 要在方案設(shè)計(jì)的各個環(huán)節(jié)中考慮。

首先要對無人機(jī)的飛控/導(dǎo)航任務(wù)和實(shí)現(xiàn)目標(biāo)作需求分析。根據(jù)飛行要求和控制對象的復(fù)雜程度，選擇控制周期；按照控制周期內(nèi)控制計(jì)算量來確定計(jì)算的類型和運(yùn)算速度，并結(jié)合外部單元確定接口方案，以及對抗干擾因素的考慮，可確定整體的通訊協(xié)議和接口形式。

在 無人機(jī)的飛行過程中，為了實(shí)現(xiàn)一定的飛行任務(wù)，需要對其飛行姿態(tài)進(jìn)行控制，引導(dǎo)飛機(jī)按照一定的航線準(zhǔn)確飛行。為了進(jìn)行姿態(tài)控制，就需要獲得飛行姿態(tài)的實(shí)時 參數(shù)信息以及遙控遙測參數(shù)。有了這些信息參數(shù)，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的控制算法計(jì)算，實(shí)時輸出控制糧到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)控制/導(dǎo)航目的，其構(gòu)成示意圖見圖1。

垂 直陀螺、三軸角速率陀螺輸出的是模擬信號，因此飛控計(jì)算機(jī)必須具有多路模擬信號的高精度采集能力。而磁航向傳感器、高度傳感器以及與GPS和遙控遙測的等 外圍單元的數(shù)據(jù)交換則采用了RS-485、RS-232通訊協(xié)議，因此飛控計(jì)算機(jī)要具有多串口的通行能力。同時系統(tǒng)要求一系列的電平輸出/輸入接口、舵機(jī) 接

1、ARM的選擇

從計(jì)算精度、計(jì)算速度、控制性能要求、功耗及上述接口等方面考慮， 采用ATMEL公司的AT91M55800A芯片作為CPU。該芯片集成了ARM7TDMI核、嵌入式ICE接口、存儲器以及外圍。

AT91M55800A具有先進(jìn)系統(tǒng)總線(ASB)和先進(jìn)外圍總線(APB)兩條主要總線，ASB接口由存儲控制寄存器控制用于實(shí)現(xiàn)最高的性能。ARM7TDMI核通過ASB接口實(shí)現(xiàn)與片內(nèi)32位存儲器、外部總線接口(EBI)以及AMBA橋的連接。AMBA橋用來驅(qū)動APB；APB用來訪問片內(nèi)外圍，優(yōu)化系統(tǒng)功耗AT91M55800A通過完全可編程的外部總線接口直接連到片外存儲器，使讀或?qū)懖僮髯羁炜蛇_(dá)一個時鐘周期。8優(yōu)先級向量中斷控制器和片內(nèi)外圍數(shù)據(jù)控制器則顯著提高了器件的實(shí)時性能.

AT91M55800A主要硬件資源極其關(guān)鍵特性如下：

（1） 芯片提供了豐富的片上資源。有片上A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，則系統(tǒng)無需外接A/D和D/A芯片，提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性。AT91M 55800A有片內(nèi)看門狗電路，可以監(jiān)測程序的意外失控。AT91M55800A芯片提供SPI總線，便于與擴(kuò)展外設(shè)進(jìn)行連接。

（2）集成了ARM7TDMI ARM Thumb處理核——低功耗高性能的32位RISC(Reduced Instruction Set Computer)處理器。指令功能強(qiáng)，采用能提供0.9MIPS/MHz的三級流水線和馮·諾依曼結(jié)構(gòu)；具有能產(chǎn)生64位結(jié)果的增強(qiáng)型乘法器；尋址能力 強(qiáng)，有ARM指令集和Thumb指令集；嵌入式ICE，先進(jìn)的軟件開發(fā)和調(diào)

試環(huán)境。

（3）8KB片內(nèi)SRAM.—32位數(shù)據(jù)總線寬度，單時鐘周期訪問。

（4）完全可編程的外部總線接口（EBI）—最大可尋址空間為64MB,多達(dá)8個片選線，軟件可編程的8 位或16位外部數(shù)據(jù)總線。

（5）8優(yōu)先級、可單獨(dú)屏蔽的向量中斷控制器(AIC)—7個外部中斷，包括一個高優(yōu)先級、低延遲的中斷請求。

（6）58個可編程I/O口線，由PIOA和PIOB控制。

（7）6通道16位定時器/計(jì)數(shù)器，實(shí)時時鐘(RTC)，系統(tǒng)定時器，看門狗定時器。

（8）主從式SPI接口—8~16位可編程數(shù)據(jù)長度，4個外部從芯片選擇。

（9）采用片內(nèi)主振蕩器和PLL倍頻的時鐘產(chǎn)生器及片內(nèi)32K振蕩器的實(shí)實(shí)時鐘—3MHz~33MHz頻率范圍。

（10）具有3個USART—每個USART有兩個外圍數(shù)據(jù)控制器(PDC)通道。

（11）8通道10位ADC和2通道10位DAC。

（12）先進(jìn)電源管理控制器(APMC)—正常、等待、慢速、待機(jī)和掉電方式。

（13）針對所有數(shù)字引腳的JEEE 1149.1JTAG邊界掃描。

AT91M55800A上述功能和特點(diǎn)，使得復(fù)雜的控制算法可以在規(guī)定的時間內(nèi)完成，且滿足了精度的要求。

2、存儲器的擴(kuò)展

由 于AT91M55800A內(nèi)部存儲器較小，所以程序和數(shù)據(jù)大多只能放在片外，因此要進(jìn)行存儲器擴(kuò)展。AT91M55800A的內(nèi)核采用了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。 存儲器接口可在使用存儲器最少情況下實(shí)現(xiàn)其潛能。速度關(guān)鍵的控制信號采用流水作業(yè)，處理速度極快。所選RAM的速度必須小于RAM的讀寫周期。在系統(tǒng)工作 時，程序要放在Flash中，在系統(tǒng)上電時由啟動代碼程序搬移到片外RAM中運(yùn)行，因此選擇ROM時也要考慮存儲容量和速度。根據(jù)以上特點(diǎn)選擇了一片 12ns的IS61LV51216RAM組成存儲系統(tǒng)的RAM，一片訪問周期90ns AT49BV1604A-90TI (Flash Memory)作為程序存儲空間。此外通過SPI總線擴(kuò)展一個X5045（NOVRAM），NOVRAM可在斷電后保存裝定的航跡與任務(wù)數(shù)據(jù)。

3、模擬信號的接收

垂 直陀螺、角速率陀螺、電源電壓等輸出的模擬信號首先經(jīng)過信號調(diào)理模塊輸入，片上自帶的8路10位ADC已經(jīng)完全滿足了系統(tǒng)通道數(shù)目和精度的要求，不再擴(kuò)展 其他ADC器件。所采集的飛機(jī)姿態(tài)、電網(wǎng)電壓等信號，是飛行控制系統(tǒng)對無人機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行控制和監(jiān)控的基礎(chǔ)，同時這些信號經(jīng)過編碼發(fā)往地面遙測設(shè)備，供操縱人員參考。

4、串口通信

機(jī) 上傳感器的輸出信號多數(shù)都是采用串行標(biāo)準(zhǔn)。遙控指令、遙測數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、高度信號、航向信號、航路裝定、控制參數(shù)設(shè)置都采用RS-232或者RS- 485接口，而AT91M55800A片內(nèi)集成的3個USART不能滿足要求，必須要對串口進(jìn)行擴(kuò)展。完全采用軟件模擬擴(kuò)展串口，將加重處理器的負(fù)荷，降 低系統(tǒng)的實(shí)時性。而采用16C554專用串口擴(kuò)展芯片將增加系統(tǒng)的電路復(fù)雜性，增加電路板面積。在綜合考慮各種方案之后，將串口作如下配置：

(1) 串行口0 為遙控通道，與遙控接收機(jī)相接，接收上行信道送來的遙控信息，下傳飛機(jī)狀態(tài)參數(shù)信息，RS—232標(biāo)準(zhǔn)，波特率9600。

(2) 串行口1：通過4052 擴(kuò)展，與高度傳感器和航向傳感器相接。 采用RS—485標(biāo)準(zhǔn)，波特率9600。

(3) 串行口2 與GPS接收機(jī)相接，接收GPS數(shù)據(jù)，采用RS—232標(biāo)準(zhǔn)，波特率9600。

(4) 采用SPI總線接口的USART收發(fā)器件MAX3111擴(kuò)展了一路串行接口，本串行口的TX通道作為遙測通道，用于發(fā)送飛行姿態(tài)、電源電壓、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、 任務(wù)設(shè)備工作狀態(tài)等遙測信息；RX通道為雙用途，可以作為裝定自主飛行時的預(yù)設(shè)航路用，也可以用來裝定控制參數(shù)。這樣，兼顧了系統(tǒng)的實(shí)時性和緊湊性

5、頻率信號的輸出

控 制伺服機(jī)構(gòu)常用的是四個舵機(jī)，飛行中要求這四個舵機(jī)可以同時動作，相互之間不能有延遲。而AT91M55800A的6路定時/計(jì)數(shù)器正好可以用來作為輸出 PWM信號的器件，不需要擴(kuò)展接口芯片。余下的一路定時器用作μC/OS-II的系統(tǒng)時鐘，另外一路定時器用作發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速監(jiān)測。根據(jù)舵機(jī)的工作方式和控制 精度的要求，設(shè)置工作方式，滿足舵機(jī)工作要求。這樣既減少了硬件的擴(kuò)展又降低了軟件的消耗，提高了精度、大大提高系統(tǒng)效率。

6、數(shù)字I/O口輸出

通過AT91M55800A GI/O由片上PIOA和PIOB控制器輸出開關(guān)量，通過光耦隔離、驅(qū)動放大進(jìn)行控制任務(wù)設(shè)備、回收裝置等設(shè)備。

7、復(fù)位電路

AT91M55800A 在復(fù)位時，主時鐘來自慢速時鐘(32 768Hz)，并且主時鐘上的信號必須在NRST信號上升沿之前至少10個時鐘周期內(nèi)保持有效，及復(fù)位信號至少保持0.3ms，所擴(kuò)展的存儲系統(tǒng)復(fù)位時間 均小于0.3ms，因此本系統(tǒng)采用了能提供20ms低脈沖的MAX6315芯片。同時AT91M55800A具有可編程的看門狗定時器。由于系統(tǒng)電源瞬間 欠缺或意外掉電致使程序跑飛或重要數(shù)據(jù)丟失導(dǎo)致系統(tǒng)無法工作時，采用看門狗定時器可產(chǎn)生內(nèi)部復(fù)位信號，使復(fù)位系統(tǒng)。

四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

1、硬件資源的合理利用和端口配置的原則

AT91M55800A 有著豐富的硬件資源，能否充分利用和恰當(dāng)配置這些資源是設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。如果給CPU的負(fù)擔(dān)過重,系統(tǒng)有可能難以完成實(shí)時控制的任務(wù)，如果配置不合理,資 源則不能得到充分利用，而且會影響系統(tǒng)的實(shí)時性，增添軟件的復(fù)雜性。CPU主要處理4路模擬量輸入、10路開關(guān)量輸入、1路頻率量輸入、3路定時信號輸 入、4路PWM波輸出、8路開關(guān)量輸出和4路串行數(shù)據(jù)接口，根據(jù)微控制器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分別配置，如將模擬量輸入配置在A/D部分，開關(guān)量輸入和輸出配置在 GPI/O，3路定時信號輸入、1路頻率量輸入和PWM波配置在定時/計(jì)數(shù)器多通道部分，4路串行數(shù)據(jù)接口通過適當(dāng)擴(kuò)展配置在3個USART上。在設(shè)計(jì)中 對端口分配遵循了以下原則，并做了一定的時間測算；

(1) 首先確定MCU內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)方案，為輸入輸出信號量連接方案的確定開創(chuàng)條件；

(2) 優(yōu)先考慮各端口的基本功能，再次考慮端口的第二、第三功能；

(3) 考慮信號匹配與端口的驅(qū)動能力；

(4) 考慮時間因素，對ADC、UARST、GPI/O、PWM、SPI等處理子程序進(jìn)行時間估計(jì)與測算，確定CPU的任務(wù)量,保CPU有一定的時間裕度；

(5) 利用空余的端口做冗余設(shè)計(jì)，使某些功能的實(shí)現(xiàn)有一定的自由度。

2、系統(tǒng)的抗干擾措施

在無人機(jī)系統(tǒng)性能諸指標(biāo)中，可靠性是首要考慮的因素。無人機(jī)飛行控制器必須穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，否則將導(dǎo)致控制出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重時將可能造成巨大經(jīng)濟(jì)損失或者生命危險。因此在控制器硬件的設(shè)計(jì)中，要始終貫徹高可靠性、高穩(wěn)定性這一原則，并為軟件抗干擾措施的實(shí)施打好基礎(chǔ)。

影響控制器可靠安全運(yùn)行的主要因素有以下幾個方面：電磁場干擾、供電方式、元器件性能、PCB的布局與走線、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

針對這些因素，在本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中采用了如下一些措施：

（1）主控板采用四層的高頻電路板；

（2）采用濾波技術(shù)、去耦電容、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)和接地技術(shù)減小電磁場的干擾；

（3）數(shù)字部分和模擬部分獨(dú)立供電

（4）盡量選用高集成度、高穩(wěn)定性、高可靠性的面貼元件；

（5）PCB板上元器件按功能分區(qū)、就近布局，45°走線、滿接地；

（6）選擇高可靠性接插件，緊固安裝，屏蔽殼體。

3、整機(jī)供電與功耗考慮

無 人機(jī)的動力源是能量有限的機(jī)載蓄電池，所以能耗問題是衡量控制其性能的一項(xiàng)指標(biāo)。機(jī)載蓄電池提供的是±12V的直流電源，對于飛控器來說，需要解決兩個問 題。一是如何進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換既能滿足系統(tǒng)對電源數(shù)量及伏值的要求，又使轉(zhuǎn)換效率足夠高；二是選用什么樣的元器件，既能滿足信號匹配的要求又能使器件功 耗低。

系 統(tǒng)中選用的是高轉(zhuǎn)換效率的小型PKC2121模塊，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的±12V電壓，為±9V的電源基準(zhǔn)提供輸入，5V和9V根據(jù)具體需要給模擬電路供 電，5V作為3.3V電源基準(zhǔn)REF192GS的輸入電壓，3.3V給飛控計(jì)算機(jī)供和存儲系統(tǒng)供電。在信號匹配的前提下盡量選用低功耗的CMOS器件，降 低系統(tǒng)總能耗。

五、結(jié)束語

經(jīng) 過初步調(diào)試，該硬件平臺各項(xiàng)功能均達(dá)到設(shè)計(jì)目的。為了方便和硬件的聯(lián)調(diào)，軟件設(shè)計(jì)以源碼公開的實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II為軟件平臺，將系統(tǒng)功能 按照優(yōu)先級循序分為數(shù)據(jù)采集模塊、控制解算模塊、模態(tài)控制模塊、高度航向讀取模塊、指令接收模塊、 GPS接收模塊、航路控制模塊、遙測發(fā)送模塊、芯片啟動部分選用匯編語言，對算法復(fù)雜、計(jì)算量大的，采用C語言。軟件和硬件分別調(diào)試通過后，可進(jìn)行軟件和 硬件的聯(lián)調(diào)，最后形成基于ARM的新型飛行控制計(jì)算機(jī)。

該硬件系統(tǒng)體積小，成本低。設(shè)計(jì)中采用了模塊化的結(jié)構(gòu)形式，將主控模塊和信號調(diào)理模塊及信號輸出模塊分開，那么將主控模塊與不同的信號調(diào)理模塊和輸出信號的相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的通用性作為某型號的一系列無人機(jī)的飛控器。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展 ，ARM將以它特有的優(yōu)越性在軍事和高科技中得到廣泛的應(yīng)用。

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