基于586-Engine的無人機(jī)飛行控制器設(shè)計(jì)

　　引言 

　　在無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中，飛行控制器是其核心部件，它負(fù)責(zé)飛行控制系統(tǒng)信號(hào)的采集、控制律的解算、飛機(jī)的姿態(tài)和速度，以及與地面設(shè)備的通訊等工作。隨著無人機(jī)越來越廣泛的應(yīng)用，它所完成的任務(wù)也越來越復(fù)雜，對無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性要求也越來越高，這就要求無人機(jī)的控制核心向高集成度和小型化方向發(fā)展。

　　本文以586-Engine嵌入式芯片為核心，設(shè)計(jì)了某型無人機(jī)的飛行控制器，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的軟件流程，并給出了仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　586-Engine嵌入式芯片的性能特點(diǎn)

　　586-Engine是TERN公司的基于AMD Elan SC520處理器的微控制模塊，具有高可靠性、結(jié)構(gòu)緊湊以及低功耗等特點(diǎn)，它同時(shí)具有功能強(qiáng)大的調(diào)試軟件。586-Engine的主要參數(shù)指標(biāo)如下：

　?。?）CPU為32位AMD Elan SC520，主頻為133MHz；

　?。?）具有高性能的浮點(diǎn)運(yùn)算單元，支持正弦、正切、對數(shù)等復(fù)雜運(yùn)算，非常適合需要復(fù)雜運(yùn)算的應(yīng)用。

　　（3）配置512KB的SRAM，512KB的Flash，114字節(jié)內(nèi)部RAM；

　?。?）支持15個(gè)外部中斷。共有7個(gè)定時(shí)器，包括一個(gè)可編程內(nèi)部定時(shí)器，提供3個(gè)16位內(nèi)部定時(shí)器和3個(gè)16位GP定時(shí)器，再加上一個(gè)軟件定時(shí)器。這些定時(shí)器支持外部事件的計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)。軟件定時(shí)器提供微秒級(jí)的硬件時(shí)間基準(zhǔn)。

　　（5）提供32路可編程I/O，2個(gè)UART。共有19路12位A/D輸入，包括11路ADC串行輸入和8路并行ADC，轉(zhuǎn)換頻率為300kHz；6路D/A輸出，包括2個(gè)串行輸出DAC和4個(gè)輸出并行12位DAC，轉(zhuǎn)換頻率為200kHz。

　?。?）工作溫度為-40℃~80℃，尺寸為91.4mm×58.4mm×7.6mm。

　　飛行控制器硬件設(shè)計(jì)

　　該型無人機(jī)是為海軍野戰(zhàn)部隊(duì)提供通訊中繼用途的中型輪式無人機(jī)，其飛行控制器是一個(gè)單獨(dú)裝箱的小型航空機(jī)載電子設(shè)備，由DC/DC直流電源變換板、計(jì)算機(jī)主機(jī)板、模擬量通道板、開關(guān)量通道板和舵機(jī)控制板組成，全部模板通過母板上的總線方式連接，以減小尺寸，提高集成度。飛行控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

　　下面詳細(xì)介紹飛行控制器的數(shù)據(jù)采集、信息傳輸、控制量輸出等問題。

　　（1）串口擴(kuò)展

　　由圖1可知，該飛行控制器需要與GPS、磁航向計(jì)和無線電高度表等進(jìn)行通訊，共需5個(gè)串口。而586-Engine主板只提供2個(gè)串口，分別供地面檢測和測控電臺(tái)使用，因此需要進(jìn)行串口擴(kuò)展。串口擴(kuò)展電路如圖3所示。

　　串口擴(kuò)展電路中采用TL16C754四通道UART并-串轉(zhuǎn)換器件，將8位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4路串行輸出，外加MAX202和MAX489電平轉(zhuǎn)換芯片，擴(kuò)展了2個(gè)RS232串口和2個(gè)RS422串口，可滿足飛行控制器的硬件需求。

　?。?）D/A轉(zhuǎn)換

　　此型無人機(jī)采用模擬舵機(jī)，共需6路D/A通道產(chǎn)生PWM信號(hào)來驅(qū)動(dòng)舵機(jī)。586-Engine主板總共提供8路D/A，其中4路12位并行D/A（DA7625）分別控制升降舵機(jī)、左右副翼舵機(jī)和方向舵機(jī)，2路12位串行D/A（LTC1446）控制前輪舵機(jī)和油門舵機(jī)。由于DA7625的輸出電壓范圍為0~2.5V，LTC1446輸出電壓范圍為0~4.096V，而舵機(jī)工作電壓為-10~10V，因此需要對信號(hào)進(jìn)行放大和電平平移。D/A電平平移電路如圖4所示。

　　由圖可知，D/A電平轉(zhuǎn)換原理是在運(yùn)放輸入端采用加法電路，將輸入信號(hào)與基準(zhǔn)電平比例相加，得到適合采樣的電壓范圍。輸入電平與輸出電平的關(guān)系為。

　?。?）A/D采集

　　586-Engine主板上自帶的19路12位的A/D接口完全滿足飛控系統(tǒng)通道數(shù)和轉(zhuǎn)換精度的要求，這些A/D接口分別采集氣壓高度表的數(shù)據(jù)，無人機(jī)機(jī)載電壓、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度、油門開度等。這些信號(hào)發(fā)往地面測控計(jì)算機(jī)，為操作人員對無人機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控提供了基礎(chǔ)。

　?。?）I/O控制

　　586-Engine主板上提供了32個(gè)16位可編程數(shù)字I/O口，用于采集發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)信號(hào)、傘艙打開信號(hào)等，并輸出開關(guān)量信號(hào)控制其它設(shè)備，控制無人機(jī)起飛與回收過程。

　　（5）電源模塊

　　飛行控制器的電源模塊電路給飛行控制器提供干凈穩(wěn)定的供電電壓，用來保證飛行控制器正常工作。電源模塊電路的設(shè)計(jì)好壞直接影響飛行控制器運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。該型無人機(jī)由于對尺寸有一定的要求，同時(shí)考慮到可靠性與成本，因此在設(shè)計(jì)時(shí)選用了成熟的標(biāo)準(zhǔn)模塊電源，外接少量器件即可工作。飛行控制器供電模塊電路如圖5所示。

　　其中，采用24T05D12模塊電源作為供電電路的主芯片，提供的功率為30W，輸入電壓范圍為18V~36V，具有三路電源輸出：+5V和±12V，為機(jī)載傳感器和舵機(jī)進(jìn)行供電。

　　控制軟件設(shè)計(jì)

　　飛控軟件開發(fā)環(huán)境

　　586-Engine微處理器使用的開發(fā)環(huán)境Paradigm C/C++Professional是美國Devtools公司用于開發(fā)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的集成開發(fā)環(huán)境，它支持嵌入式X86系統(tǒng)，包括一個(gè)X86的集成開發(fā)環(huán)境。包含了編譯、匯編、鏈接、定位和調(diào)試功能，可以編輯嵌入式C/C++代碼，支持實(shí)模式、擴(kuò)展模式和保護(hù)模式的嵌入式X86開發(fā)系統(tǒng)。

　　飛控軟件開發(fā)過程是用戶在開發(fā)環(huán)境中編譯程序，通過串口將程序加載到飛行控制器，并且可以在PC機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，這是其突出優(yōu)點(diǎn)。此外TERN公司還提供了底層操作程序，為軟件開發(fā)提供了便利。

　　飛控軟件設(shè)計(jì)

　　機(jī)載飛行控制軟件總體分為三大模塊：初始化模塊、定時(shí)處理模塊和串行中斷處理模塊。

　　各模塊的功能如下：

　?。?）初始化模塊：主要完成系統(tǒng)的初始化，包括A/D卡初始化、DIO口初始化、串口初始化、傳感器初始化及參數(shù)的設(shè)置等。

　?。?）定時(shí)處理模塊：主要完成與時(shí)間有關(guān)的周期性任務(wù)，包括傳感器信號(hào)的采集、飛行模式管理、導(dǎo)航計(jì)算、飛行控制律計(jì)算和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制等。

　?。?）串行中斷處理模塊：完成遙控指令的接收、磁航向計(jì)和無線電高度表數(shù)據(jù)的接收等。

　　飛控軟件的主函數(shù)流程如圖6所示。

　　半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)

　　在半實(shí)物仿真試驗(yàn)中，飛行控制計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過伺服控制驅(qū)動(dòng)器放大來驅(qū)動(dòng)無人機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)即電動(dòng)伺服舵機(jī)，然后仿真計(jì)算機(jī)通過A/D通道采集電動(dòng)伺服舵機(jī)的位移信號(hào)，并且輸出控制指令（三軸姿態(tài)角）控制三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)，模擬出無人機(jī)的姿態(tài)角及姿態(tài)角速率等信號(hào)。機(jī)載傳感器將這些信號(hào)反饋給飛行控制器，從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，完成各種飛行任務(wù)。仿真試驗(yàn)可以檢驗(yàn)飛行控制系統(tǒng)的安全性與可靠性，為無人機(jī)成功放飛奠定基礎(chǔ)。半物理仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

　　從圖中可以看出，無人機(jī)基本上可以沿給定航線飛行，切入直線航段或圓弧航段后，側(cè)偏距較小，在轉(zhuǎn)彎處有一定的超調(diào)，總體來說控制效果較好，分析后認(rèn)為該無人機(jī)壓航線飛行基本達(dá)到需求方的要求。

　　結(jié)論

　　586-Engine嵌入式芯片的使用，減小了飛行控制器的體積與重量，實(shí)現(xiàn)了飛行控制器小型化、高集成度的設(shè)計(jì)目標(biāo)；自行設(shè)計(jì)的串口擴(kuò)展電路、舵機(jī)控制板等降低了研制成本，滿足了項(xiàng)目需求方的要求?？梢灶A(yù)見，586-Engine特有的功能以及較高的性價(jià)比將在無人機(jī)飛行控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。