基于嵌入式的無人機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

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(duì)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。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：

(1)CPU為32位AMD Elan SC520,主頻為133MHz;(2)具有高性能的浮點(diǎn)運(yùn)算單元，支持正弦、正切、對(duì)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;(4)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。(6)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。

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(cè)和測(cè)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。

傳輸文件進(jìn)行PCB打樣

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)換硬件電路設(shè)計(jì)

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(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和電平平移。D/A 電平平移電路如圖所示。

傳輸文件進(jìn)行PCB打樣

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。關(guān)于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(cè)控計(jì)算機(jī)，為操作人員對(duì)無人機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控提供了基礎(chǔ)。關(guān)于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。

電源模塊硬件電路設(shè)計(jì)

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(duì)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。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。