基于嵌入式的無人機控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

在無人機飛行控制系統(tǒng)中，飛行控制器是其核心部件，它負責飛行控制系統(tǒng)信號的采集、控制律的解算、飛機的姿態(tài)和速度，以及與地面設(shè)備的通訊等工作。隨著無人機越來越廣泛的應用，它所完成的任務也越來越復雜，對無人機的機動性要求也越來越高，這就要求無人機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)計了某型無人機的飛行控制器?；贏MD 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，它同時具有功能強大的調(diào)試軟件。586-Engine的主要參數(shù)指標如下：

(1)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)等復雜運算，非常適合需要復雜運算的應用。(3)配置512KB的SRAM,512KB的Flash，114字節(jié)內(nèi)部RAM;(4)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。(5)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。(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

該型無人機是為海軍野戰(zhàn)部隊提供通訊中繼用途的中型輪式無人機，其飛行控制器是一個單獨裝箱的小型航空機載電子設(shè)備，由DC/DC直流電源變換板、計算機主機板、模擬量通道板、開關(guān)量通道板和舵機控制板組成，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、磁航向計和無線電高度表等進行通訊，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，因此需要進行串口擴展。串口擴展電路如圖3所示。

串口擴展電路中采用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。

D/A轉(zhuǎn)換硬件電路設(shè)計

此型無人機采用模擬舵機，共需6路D/A通道產(chǎn)生PWM信號來驅(qū)動舵機。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、左右副翼舵機和方向舵機，2路12位串行D/A(LTC1446)控制前輪舵機和油門舵機。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,而舵機工作電壓為-10~10V,因此需要對信號進行放大和電平平移。D/A 電平平移電路如圖所示。

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)，無人機機載電壓、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和溫度、油門開度等。這些信號發(fā)往地面測控計算機，為操作人員對無人機工作狀態(tài)進行監(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16位可編程數(shù)字I/O口，用于采集發(fā)動機啟動信號、傘艙打開信號等，并輸出開關(guān)量信號控制其它設(shè)備，控制無人機起飛與回收過程。

電源模塊硬件電路設(shè)計

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準模塊電源，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，為機載傳感器和舵機進行供電。嵌入式芯片的使用，減小了飛行控制器的體積與重量，實現(xiàn)了飛行控制器小型化、高集成度的設(shè)計目標;自行設(shè)計的串口擴展電路、舵機控制板等降低了研制成本，滿足了項目需求方的要求。可以預見，586-Engine特有的功能以及較高的性價比將在無人機飛行控制領(lǐng)域得到廣泛的應用。