基于SmartFusion的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了使無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、較低的功耗、較強(qiáng)的靈活性和更高的集成度，提出了一種以SmartFusion為核心的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)解決方案。為滿足飛控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求，系統(tǒng)采用了μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)相比，在具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力的同時(shí)擁有較小的體積和較低的功耗。多次飛行證明，各個(gè)模塊設(shè)計(jì)合理，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以用作下一代無人機(jī)高性能應(yīng)用平臺(tái)。
關(guān)鍵詞：無人機(jī)；飛行控制系統(tǒng)；SmartFusion芯片；μC／OS-Ⅱ

0 引言
    飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)的重要組成部分，是飛行控制算法的運(yùn)行平臺(tái)，它的性能好壞直接關(guān)系著無人機(jī)能否安全可靠的飛行。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)正向著多功能、高精度、小型化、可復(fù)用的方向發(fā)展。高精度要求無人機(jī)控制系統(tǒng)的精度高，穩(wěn)定性好，能夠適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境，因此控制算法比較復(fù)雜，計(jì)算速度快，精度高；小型化則對(duì)控制系統(tǒng)的重量和體積提出了更高的要求，要求控制系統(tǒng)的性能越高越好，體積越小越好。此外，無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)還要具有實(shí)時(shí)、可靠、低成本和低功耗的特點(diǎn)?；谝陨峡紤]，本文從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于SmartFusion的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)。

1 飛控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    飛行控制系統(tǒng)在無人機(jī)上的功能主要有兩個(gè)：一是飛行控制，即無人機(jī)在空中保持飛機(jī)姿態(tài)與航跡的穩(wěn)定，以及按地面無線電遙控指令或者預(yù)先設(shè)定好的高度、航線、航向、姿態(tài)角等改變飛機(jī)姿態(tài)與航跡，保證飛機(jī)的穩(wěn)定飛行，這就是通常所謂的自動(dòng)駕駛；二是飛行管理，即完成飛行狀態(tài)參數(shù)采集、導(dǎo)航計(jì)算、遙測數(shù)據(jù)傳送、故障診斷處理、應(yīng)急情況處理、任務(wù)設(shè)備的控制與管理等工作。
    飛行控制系統(tǒng)主要完成3個(gè)功能任務(wù)，其層次構(gòu)成為三層：最底層的任務(wù)是提高無人機(jī)運(yùn)動(dòng)和突風(fēng)減緩的固有阻尼——三個(gè)軸方向的阻尼器功能；第2層的任務(wù)是穩(wěn)定無人機(jī)的姿態(tài)角——基本駕駛儀的功能(主要進(jìn)行角運(yùn)動(dòng)控制)；第3層的任務(wù)是控制飛行高度、航跡和飛行速度，實(shí)現(xiàn)較高級(jí)自動(dòng)駕駛功能。飛行控制系統(tǒng)原理框圖見圖1。

    由上述分析易知，飛行控制系統(tǒng)主要由飛行控制器、傳感器(或敏感元件)、舵機(jī)3部分組成。無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖2所示。

    飛行控制器是以SmartFusion為核心的控制計(jì)算機(jī)，它是無人機(jī)的中央控制單元，負(fù)責(zé)飛機(jī)上各個(gè)單元的協(xié)調(diào)工作，并與地面站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)根據(jù)控制算法和地面站的命令，保持飛機(jī)以一定的姿態(tài)飛行。
    傳感器包括電子羅盤、角速率傳感器、高度傳感器、加速度計(jì)和GPS接收機(jī)等。電子羅盤選用霍尼韋爾HMR3300，它可以測量航向、傾角和翻滾角，輸出方式為SPI串行輸出。角速率傳感器采用的是ADI公司的ADXRS300，其輸出電壓與偏航角速率成正比。高度傳感器選擇利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)原理制造的MPX4115A大氣壓力傳感器。加速度計(jì)采用的是ADI公司的ADXL203，它是電容式加速度計(jì)，具有高精度、高穩(wěn)定性和低功耗等特點(diǎn)，輸出電壓經(jīng)信號(hào)調(diào)理后正比于加速度值。GPS接收機(jī)選用GPS-G03A(H)，它是一款超低功耗的GPS天線接收一體機(jī)，可給出經(jīng)緯度，時(shí)間和速度等信息，以RS 232串口形式傳輸數(shù)據(jù)。
    舵機(jī)包括升降舵、方向舵、副翼。舵機(jī)的控制信號(hào)是脈寬調(diào)制信號(hào)，便于和飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行接口。

2 飛控計(jì)算機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)
    無人機(jī)的飛行控制計(jì)算機(jī)是無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的核心，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。它的功能主要由SmartFusion單芯片最小系統(tǒng)及外圍電路實(shí)現(xiàn)，另外還有一個(gè)電源模塊用來提供系統(tǒng)所需的各類電壓和對(duì)供電電池進(jìn)行管理。

    SmartFusion系列結(jié)合了邏輯、微控制器子系統(tǒng)(MSS)和可編程模擬模塊，即帶有Actel經(jīng)過驗(yàn)證的FPGA架構(gòu)和基于ARM Cortex-M3硬核處理器子系統(tǒng)，以及可編程FLASH模擬模塊。實(shí)現(xiàn)易于使用的完全可定制系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，使嵌入式設(shè)計(jì)人員無需進(jìn)行線路板級(jí)改變，就能夠快速優(yōu)化硬件／軟件并折中權(quán)衡。在SmartFusion器件內(nèi)，所有數(shù)據(jù)都會(huì)從處理器傳送到FPGA，或從模擬模塊傳送到處理器，或在FPGA和片上模擬模塊之間傳送。此外，Actel的FLASHLock技術(shù)也提供了出色的IP安全保障。
    SmartFusion的主要特點(diǎn)和功能體現(xiàn)在：
    (1)功能齊全的FPGA。SmartFusion器件具有Actel經(jīng)過驗(yàn)證的基于快速閃存技術(shù)ProASIC3 FPGA架構(gòu)，使用先進(jìn)的130 nm七層快閃CMOS工藝技術(shù)，系統(tǒng)門密度范圍為60K～500K，并具有350 MHz的工作頻率和最多204個(gè)I／O。這種組合能夠集成來自其他器件的現(xiàn)有功能，大幅減少線路板空間和總體系統(tǒng)的功耗。
    (2)微控制器子系統(tǒng)。器件的智能性是以微控制器子系統(tǒng)的形式加入FPGA的，子系統(tǒng)帶有100 MHz工作頻率的ARM Cortex-M3處理器硬核，全部標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和功能包括：多層AHB通信矩陣，吞吐率高達(dá)16 Gb／s，帶有RMI接口的10M／100M以太網(wǎng)MAC和SPI，I2C，UART和32位定時(shí)器。具有最高512 KB閃存，64 KB SRAM和外部存儲(chǔ)器控制器(EMC)以及8通道DMA控制器。
    (3)可編程模擬模塊。創(chuàng)新性專有模擬計(jì)算引擎(ACE)能執(zhí)行采樣排序和計(jì)算，能夠分擔(dān)ARM Cortex-M3處理器的模擬初始化和處理任務(wù)，可編程模擬包括：精度為1％的ADC和DAC，多達(dá)3個(gè)采樣頻率為600KS／s的12位ADC，最多3個(gè)12位第一階DAC、10個(gè)50 ns高速比較器并集成多種溫度、電壓和電流監(jiān)控功能。
    在這里，選用SmartFusion系列的A2F200M3作為核心芯片。它的MSS的主要功能是保持與地面站的通訊，采集姿態(tài)角數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)，發(fā)送控制命令給FPGA，運(yùn)行相關(guān)的飛行控制算法和導(dǎo)航控制算法等。FPGA架構(gòu)的主要功能是采集與測量傳感器的數(shù)據(jù)，接收MSS的命令與驅(qū)動(dòng)舵機(jī)。FPGA分擔(dān)了一部分原可以采用MSS來實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，使MSS有更多的時(shí)問用于運(yùn)行算法，以提高系統(tǒng)的整體性能。
    外圍接口電路主要由RS 232接口、GPS接口、SD卡接口、傳感器信號(hào)采集通道、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量通道、電池電壓檢測通道等組成。GPS和PC串口連接均需要1片MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。SD卡用于存放飛行參數(shù)及圖像數(shù)據(jù)。MSS與FPGA之間可通過GPIO進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、無線接收機(jī)信號(hào)檢測、信號(hào)控制等功能均由芯片的內(nèi)部邏輯電路來實(shí)現(xiàn)，采用VerilogHDL語言編寫。鑒于飛行控制和導(dǎo)航精度的要求，該模塊選用了TI公司的A／D芯片TLC3548，用來采集三軸加速度計(jì)、高度傳感器、三角速率陀螺輸出的電壓信號(hào)。A／D、驅(qū)動(dòng)組成框圖如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
    由于飛控計(jì)算機(jī)運(yùn)行的程序復(fù)雜，信息量大，對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求高，采用單任務(wù)順序機(jī)制的編程方式已不能滿足飛控系統(tǒng)的要求，因此飛控軟件采用了實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ。μC／OS-Ⅱ是專門為計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是可裁減的、基于靜態(tài)優(yōu)先級(jí)的可剝奪型多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和微控制器，其實(shí)時(shí)性能和內(nèi)核的健壯性已在大量的實(shí)際應(yīng)用中得到了證實(shí)。

    飛控系統(tǒng)的應(yīng)用程序分為初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制解算模塊、姿態(tài)讀取模塊、GPS接收模塊、遙測發(fā)送模塊、控制量輸出模塊。任務(wù)與功能模塊資源之間的關(guān)系如圖5所示。飛行控制系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，飛控計(jì)算機(jī)在完成自檢后，首先進(jìn)行慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始對(duì)準(zhǔn)及任務(wù)諸元裝訂，接收初始對(duì)準(zhǔn)裝置發(fā)送的初始姿態(tài)和位置信息，然后等待控制系統(tǒng)的啟動(dòng)命令。飛控系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)行初始化設(shè)置，根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)、調(diào)用相應(yīng)的程序模塊完成預(yù)定任務(wù)，各個(gè)任務(wù)之間的公共數(shù)據(jù)采用共享變量的方式進(jìn)行協(xié)同，但需要采取一定的保護(hù)措施。

4 結(jié)語
    基于SmartFusion的無人機(jī)飛控系統(tǒng)具有體積小，精度高，運(yùn)算速度快，可剪裁性的優(yōu)點(diǎn)，特別是軟件上采用μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，使飛控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。該飛控系統(tǒng)已在某型無人機(jī)上得到了應(yīng)用，飛行驗(yàn)證表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足要求。本文設(shè)計(jì)的飛控系統(tǒng)具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，為飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了借鑒。