基于586-Engine的無人機(jī)飛行控制器設(shè)計
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,并給出了仿真實驗結(jié)果。
586-Engine嵌入式芯片的性能特點
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,它同時具有功能強(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;
(2)具有高性能的浮點運算單元,支持正弦、正切、對數(shù)等復(fù)雜運算,非常適合需要復(fù)雜運算的應(yīng)用。
?。?)配置512KB的SRAM,512KB的Flash,114字節(jié)內(nèi)部RAM;
?。?)支持15個外部中斷。共有7個定時器,包括一個可編程內(nèi)部定時器,提供3個16位內(nèi)部定時器和3個16位GP定時器,再加上一個軟件定時器。這些定時器支持外部事件的計時和計數(shù)。軟件定時器提供微秒級的硬件時間基準(zhǔn)。
?。?)提供32路可編程I/O,2個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個串行輸出DAC和4個輸出并行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。[!--empirenews.page--]
飛行控制器硬件設(shè)計
該型無人機(jī)是為海軍野戰(zhàn)部隊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單獨裝箱的小型航空機(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。
?。?)串口擴(kuò)展
由圖1可知,該飛行控制器需要與GPS、磁航向計和無線電高度表等進(jìn)行通訊,共需5個串口。而586-Engine主板只提供2個串口,分別供地面檢測和測控電臺使用,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RS232串口和2個RS422串口,可滿足飛行控制器的硬件需求。[!--empirenews.page--]
?。?)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信號來驅(qū)動舵機(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)換原理是在運放輸入端采用加法電路,將輸入信號與基準(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)動機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度、油門開度等。這些信號發(fā)往地面測控計算機(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16位可編程數(shù)字I/O口,用于采集發(fā)動機(jī)啟動信號、傘艙打開信號等,并輸出開關(guān)量信號控制其它設(shè)備,控制無人機(jī)起飛與回收過程。
?。?)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)計好壞直接影響飛行控制器運行的穩(wěn)定性和可靠性。該型無人機(jī)由于對尺寸有一定的要求,同時考慮到可靠性與成本,因此在設(shè)計時選用了成熟的標(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
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,支持實模式、擴(kuò)展模式和保護(hù)模式的嵌入式X86開發(fā)系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]
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。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
機(jī)載飛行控制軟件總體分為三大模塊:初始化模塊、定時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。
?。?)定時處理模塊:主要完成與時間有關(guān)的周期性任務(wù),包括傳感器信號的采集、飛行模式管理、導(dǎo)航計算、飛行控制律計算和執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制等。
(3)串行中斷處理模塊:完成遙控指令的接收、磁航向計和無線電高度表數(shù)據(jù)的接收等。
飛控軟件的主函數(shù)流程如圖6所示。
半實物仿真實驗
在半實物仿真試驗中,飛行控制計算機(jī)的控制信號通過D/A轉(zhuǎn)換后,經(jīng)過伺服控制驅(qū)動器放大來驅(qū)動無人機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)即電動伺服舵機(jī),然后仿真計算機(jī)通過A/D通道采集電動伺服舵機(jī)的位移信號,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,模擬出無人機(jī)的姿態(tài)角及姿態(tài)角速率等信號。機(jī)載傳感器將這些信號反饋給飛行控制器,從而構(gòu)成一個閉環(huán)系統(tǒng),完成各種飛行任務(wù)。仿真試驗可以檢驗飛行控制系統(tǒng)的安全性與可靠性,為無人機(jī)成功放飛奠定基礎(chǔ)。半物理仿真實驗結(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,實現(xiàn)了飛行控制器小型化、高集成度的設(shè)計目標(biāo);自行設(shè)計的串口擴(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比將在無人機(jī)飛行控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。