小型無人機(jī)飛控計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

摘要：為了解決小型無人機(jī)對(duì)飛控計(jì)算機(jī)小型化和高精度要求的問題，設(shè)計(jì)以DSP為核心的主控模塊，采用大規(guī)模邏輯器件CPLD進(jìn)行地址譯碼，完成邏輯處理及隔離、驅(qū)動(dòng)功能，配合接口芯片28C94和AD／DA轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊?；谀K化設(shè)計(jì)的機(jī)載飛控計(jì)算機(jī)具有體積小，功耗低，精度高的特點(diǎn)。系統(tǒng)集成試驗(yàn)和共計(jì)15 h的驗(yàn)證飛行試驗(yàn)表明，該計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性滿足5ms數(shù)據(jù)采集、20 ms控制律解算的要求，其輸出精度滿足控制系統(tǒng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)0．01 V的要求，總體性能滿足驗(yàn)證無人機(jī)系統(tǒng)的要求。
關(guān)鍵詞：無人機(jī)；飛控計(jì)算機(jī)；DSP；控制律

0 引言
小型無人機(jī)在現(xiàn)代軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越廣泛。在經(jīng)歷了早期的遙控飛行后，目前其導(dǎo)航控制方式已經(jīng)發(fā)展為自主飛行和智能飛行。導(dǎo)航方式的改變對(duì)飛行控制計(jì)算機(jī)的精度提出了更高的要求；隨著小型無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)復(fù)雜程度的增加，對(duì)飛控計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的要求也更高；而小型化的要求對(duì)飛控計(jì)算機(jī)的功耗和體積也提出了很高的要求。高精度不僅要求計(jì)算機(jī)的控制精度高，而且要求能夠運(yùn)行復(fù)雜的控制算法，小型化則要求無人機(jī)的體積小，機(jī)動(dòng)性好，進(jìn)而要求控制計(jì)算機(jī)的體積越小越好。

1 概述
目前，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了眾多功能強(qiáng)大，功耗、體積大大縮小的集成電路。芯片制造工藝的進(jìn)步，像ARM，DSP等集成眾多外圍電路的CPU芯片以及EPLD，F(xiàn)PGA等大規(guī)模邏輯器件也已經(jīng)出現(xiàn)，其性能比以前的芯片增強(qiáng)，外部電路也大為精簡(jiǎn)。其中，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)以強(qiáng)大的指令系統(tǒng)、接口功能以及友好的開發(fā)環(huán)境顯示出功能完善，速度快，開發(fā)方便等優(yōu)勢(shì)，能夠有效解決小型飛控計(jì)算機(jī)中高速與微型的矛盾，從而使為微、小型無人機(jī)量身設(shè)計(jì)的集高速度、高精度和小型化于一體的新型飛控計(jì)算機(jī)成為可能。
在眾多處理器芯片中，最適合小型飛控計(jì)算機(jī)CPU的芯片當(dāng)屬TI公司的TMS320LF2407，其運(yùn)算速度以及眾多的外圍接口電路很適合用來完成對(duì)小型無人機(jī)的實(shí)時(shí)控制功能。它采用哈佛結(jié)構(gòu)、多級(jí)流水線操作，對(duì)數(shù)據(jù)和指令同時(shí)進(jìn)行讀取，片內(nèi)自帶資源包括16路10位A／D轉(zhuǎn)換器且?guī)ё詣?dòng)排序功能，保證最多16路有轉(zhuǎn)換在同一轉(zhuǎn)換期間進(jìn)行，而不會(huì)增加CPU的開銷；40路可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入／輸出通道；5個(gè)外部中斷；集成的串行通信接口(SCI)，可使其具備與系統(tǒng)內(nèi)其他控制器進(jìn)行異步(RS 485)通信的能力；16位同步串行外圍接口(SPI)能方便地用來與其他的外圍設(shè)備通信；還提供看門狗定時(shí)器模塊(WDT)和CAN通信模塊。TMS320LF2407豐富的片內(nèi)資源配合LATTICE公司的EPLD以及串口擴(kuò)展芯片28C94使飛控機(jī)實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的飛行控制與飛行管理功能，同時(shí)還滿足了小型無人機(jī)的小體積和低功耗的要求。CPU提供192 KWord字的可擴(kuò)展外部存儲(chǔ)空間，能夠裝載較大的應(yīng)用程序，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)外部電路的控制能力。系統(tǒng)開發(fā)語言選擇BC 3．1，能方便地開發(fā)應(yīng)用程序，并使之有良好的可移植性。集成開發(fā)工具CC2000能很方便友好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 組成模塊
飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各傳感器測(cè)量的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)、接收無線電測(cè)控終端傳輸?shù)挠傻孛鏈y(cè)控站上行信道送來的控制命令及數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算處理，輸出控制指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)中各種飛行模態(tài)的控制和對(duì)任務(wù)設(shè)備的管理與控制；同時(shí)將無人機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)及發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載電源系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)傳送給機(jī)載無線電數(shù)據(jù)終端，經(jīng)無線電下行信道發(fā)送回地面測(cè)控站。按照功能劃分，該飛控系統(tǒng)的硬件包括：主控制模塊、信號(hào)調(diào)理及接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。具體的硬件構(gòu)成原理如圖1所示。

2．2 模塊功能
各個(gè)功能模塊組合在一起，構(gòu)成飛行控制系統(tǒng)的核心，而主控制模塊是飛控系統(tǒng)核心，它與信號(hào)調(diào)理模塊、接口模塊和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相組合，在只需要修改軟件和簡(jiǎn)單改動(dòng)外圍電路的基礎(chǔ)上可以滿足一系列小型無人機(jī)的飛行控制和飛行管理功能要求，從而實(shí)現(xiàn)一次開發(fā)，多型號(hào)使用，降低系統(tǒng)開發(fā)成本的目的。系統(tǒng)主要完成如下功能：
(1)完成多路模擬信號(hào)的高精度采集，包括陀螺信號(hào)、航向信號(hào)、舵偏角信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、缸溫信號(hào)、動(dòng)靜壓傳感器信號(hào)、電源電壓信號(hào)等。由于CPU自帶A／D的精度和通道數(shù)有限，所以使用了另外的數(shù)據(jù)采集電路，其片選和控制信號(hào)是通過EPLD中譯碼電路產(chǎn)生的。
(2)輸出開關(guān)量信號(hào)、模擬信號(hào)和PWM脈沖信號(hào)等能適應(yīng)不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如方向舵機(jī)、副翼舵機(jī)、升降舵機(jī)、氣道和風(fēng)門舵機(jī)等)的控制要求。
(3)利用多個(gè)通信信道，分別實(shí)現(xiàn)與機(jī)載數(shù)據(jù)終端、GPS信號(hào)、數(shù)字量傳感器以及相關(guān)任務(wù)設(shè)備的通信。由于CPU自身的SCI通道配置的串口不能滿足系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)中使用多串口擴(kuò)展芯片28C94來擴(kuò)展8個(gè)串口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為2部分，即邏輯電路芯片EPLD譯碼電路的程序設(shè)計(jì)和飛控系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。
3．1 邏輯電路程序設(shè)計(jì)
EPLD用來構(gòu)成數(shù)字邏輯控制電路，完成譯碼和隔離以及為A／D，D／A，28C94提供片選信號(hào)和讀／寫控制信號(hào)的功能。該軟件的設(shè)計(jì)采用原理圖輸入和VERILOG HDL語言編程的混合設(shè)計(jì)方式，遵循設(shè)計(jì)輸入→設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)→設(shè)計(jì)校驗(yàn)→器件編程的流程。系統(tǒng)使用了兩片ispLSI1048芯片，分別用來實(shí)現(xiàn)對(duì)A／D，D／A的控制和對(duì)串口擴(kuò)展芯片28C94的控制。
3．2 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
由于C語言不但能夠編寫應(yīng)用程序、系統(tǒng)程序，還能像匯編語言一樣直接對(duì)計(jì)算機(jī)硬件進(jìn)行控制，編寫的程序可移植性強(qiáng)。由于以DSP為核心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中涉及到大量對(duì)外設(shè)端口的操作，以及考慮后續(xù)程序移植的工作，所以飛控系統(tǒng)的應(yīng)用程序選用BC 3．1來設(shè)計(jì)，分別實(shí)現(xiàn)飛行控制和飛行管理功能。
軟件按照功能劃分為4個(gè)模塊：時(shí)間管理模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、通信模塊、控制律解算模塊。通過時(shí)間管理模塊在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)對(duì)無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；數(shù)據(jù)采集模塊采集無人機(jī)的飛行狀態(tài)、姿態(tài)參數(shù)以及飛行參數(shù)、飛行狀態(tài)及飛行參數(shù)進(jìn)行遙測(cè)編碼并通過串行接口傳送至機(jī)載數(shù)據(jù)終端，通過無線數(shù)據(jù)信道發(fā)送到地面控制站進(jìn)行飛行監(jiān)控；姿態(tài)參數(shù)通過軟件內(nèi)部接口送控制律解算模塊進(jìn)行解算，并將結(jié)果通過D／A通道送機(jī)載伺服系統(tǒng)，控制舵機(jī)運(yùn)行，達(dá)到調(diào)整、飛機(jī)飛行姿態(tài)的目的；通信模塊完成飛控計(jì)算機(jī)與其他機(jī)載外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換功能。

4 結(jié)語
利用高速DSP控制芯片在控制律計(jì)算和數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢(shì)及其豐富的外部資源，配合大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD以及串行接口擴(kuò)展芯片28C94設(shè)計(jì)小型機(jī)載飛控計(jì)算機(jī)，以其為核心設(shè)計(jì)的小型無人機(jī)飛控系統(tǒng)具有功能全，體積小，重量輕，功耗低的特點(diǎn)，很好地滿足了小型無人機(jī)對(duì)飛控計(jì)算機(jī)高精度、小型化、低成本的要求。該設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于某驗(yàn)證無人機(jī)系統(tǒng)。