某型無人機飛行控制計算機硬件設計

郭昱津，王道波，路 引

（1.中電集團第二十八研究所 江蘇 南京210007；2.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京210016；3.南京航空航天大學 無人機研究院，江蘇 南京210016）

某型無人機飛行控制計算機硬件設計

郭昱津1，王道波2，路 引3

（1.中電集團第二十八研究所 江蘇 南京210007；2.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京210016；3.南京航空航天大學 無人機研究院，江蘇 南京210016）

按照某型無人機高性能和小型化的要求，設計并開發(fā)了基于DSP為處理核心的飛行控制計算機硬件。詳細給出了飛行控制計算機硬件的各個模塊的設計方法和原理圖，包括：DSP最小系統(tǒng)模塊、模擬量信號調理模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、DA輸出模塊、串行通信擴展模塊、捷聯(lián)航姿系統(tǒng)模塊、氣壓高度計模塊、鐵電存儲器擴展模塊。該飛行控制計算機具有體積小、自主導航能力強的特點，并成功應用于某型無人機飛行實驗。

無人機；飛行控制計算機；硬件設計；DSP微處理器

隨著軍事發(fā)展和戰(zhàn)爭的需要，無人機發(fā)展迅速，飛行控制系統(tǒng)是無人機重要的組成部分，飛行控制計算機又是飛行控制系統(tǒng)軟件得以運行的載體。一般情況下，無人機的飛行控制計算機設計應做到集成體積小，方便安裝在無人機的控制艙內，重量盡量輕，減少無人機的總體重量，提高任務載荷，CPU可靠性高，功耗低，輸出精度高且穩(wěn)定，F(xiàn)LASH和RAM空間盡量大，能夠滿足無人機復雜控制程序的存儲需求等［1-2］。因此研制一款合適的飛行控制計算機具有重要的意義。量大，A/D轉換精確快速等優(yōu)點，并具有TI公司所開發(fā)的功能強大的CCS軟件平臺［3］。無人機發(fā)動機整流后的電源和機載蓄電池作為飛行控制計算機主電源的輸入，正常工作狀態(tài)下，發(fā)動機供電給飛行控制計算機，機載蓄電池在無人機啟動或發(fā)動機出現(xiàn)故障時供電。

2　主要功能模塊設計

1　DSP微處理器

飛行控制計算機是無人機飛行控制系統(tǒng)的核心，考慮飛行控制系統(tǒng)的功能和受到無人機對體積和重量等條件約束，所研制的飛行控制計算機選用TI公司的高性能處理芯片TMS320F28335作為飛行控制計算機的微處理器芯片，該芯片是一款TMS320C28X系列浮點DSP控制器，具有功耗小，成本低，精度高，外設集成度高，性能高，數(shù)據(jù)以及程序存儲

2.1DSP最小系統(tǒng)模塊

保證DSP正常工作所需的最小外圍電路稱為DSP最小系統(tǒng)，包括DSP內核、ADC模塊、BOOT啟動選擇、I/O供電模塊、電源模塊以及JTAG調試模塊等。

DSP最小系統(tǒng)的供電系統(tǒng)選用TI公司的TPS767D301雙電源芯片，其中DSP內核模塊供電為1.8 V，IO的供電為3.3 V；晶振選用30 MHz，DSP的工作頻率是經(jīng)過5倍頻放大達到150 MHz；選用MAX6021A作為ADC的外部參考電壓，產(chǎn)生2.048 V的基準電壓，使ADC模塊的精度達到12位；方便系統(tǒng)從串口燒寫程序，BOOT啟動可以從SCI或者FLASH啟動。

2.2模擬量信號調理模塊

多路傳感器輸出的開關量、頻率信號、電壓信號及電阻信號是經(jīng)過模擬量信號調理模塊電路進行濾波和放大處理，從而調理成適合計數(shù)器所需的脈沖的信號和A/D器件采樣電平的信號［4］。

模擬量輸出的信號包括俯仰、滾轉、油門舵機反饋、縱向舵機反饋、橫向舵機反饋、航向舵機反饋和電源電壓等信號；由于電壓輸出范圍為-10V～+10V，而DSP內部ADC模塊采集模擬量的范圍是0～+3 V，因此需將-10～+10 V電壓轉換成0～+3 V。為實現(xiàn)模擬信號調理，設計采用通過加法器進行平移和運放進行衰減，模擬量信號調理電路原理如圖1所示。

2.3數(shù)字量輸入/輸出模塊

圖1　模擬量信號調理電路原理圖Fig.1　Schematic diagram of the analog signal conditioning circuit

無人機飛行控制系統(tǒng)中的數(shù)字量輸出信號包括紅外增強器以及誘餌彈等任務設備投放信號、發(fā)動機啟動/停車信號，這些功能的執(zhí)行機構由繼電器實現(xiàn)。繼電器的控制電平為24 V，選用8通道的ULN2803驅動離散數(shù)字量輸出，而ULN2803的輸入電平為5 V，為了電平匹配，使用74HCT245 將DSP的數(shù)字量輸出信號的3.3 V電平轉換為5 V，以驅動ULN2803的輸出。

數(shù)字量輸入信號的外部輸入電平為5 V，而DSP的IO口為3.3 V電平，為了達到電平的匹配，選用74LVT245，對數(shù)字量輸入信號進行電平轉換［5］。所設計的數(shù)字量輸入輸出模塊電路如圖2所示。

圖2　數(shù)字量輸入輸出電路原理圖Fig.2　Schematic diagram of the digital input and output circuit

2.4DA輸出模塊

飛控系統(tǒng)執(zhí)行機構的控制信號采用模擬量信號，主要是輸出指令給舵機，進而舵機的伺服電路驅動執(zhí)行機構。飛控系統(tǒng)包括油門舵機、縱向舵機、橫向舵機和航向舵機［6］，這些舵機的控制信號范圍為-10～+10 V，至少要4路-10～+10 V?？紤]精度高，傳輸速度快和功耗低等原則，選用TI公司的DAC7718，它支持輸出電壓范圍為-12～+12 V，雙極性輸出，功耗為14.4 mW/Ch，8通道，誤差為±1LSB，采用SPI總線通訊接口，精度達到1LSB，設置時間為15 μs，12位分辨率，所設計的電路如圖3所示。

2.5串行通信擴展模塊

飛行控制系統(tǒng)的通訊設備有GPS模塊、組合導航和無線數(shù)傳電臺等，它的通信接口都為RS232。飛控系統(tǒng)需進行半實物仿真和測試［7］，但半實物在回路測試和仿真的通信接口都為RS422，因此需要2路RS422和3路RS232通信接口。DSP只有3路SCI，采用TL16C754擴展四路串口，同時保證TTL電平和RS422或者RS232電平進行匹配，采用SP3232 和MAX3490芯片進行全雙工的串行接口轉換。

2.6捷聯(lián)航姿系統(tǒng)模塊

捷聯(lián)航姿系統(tǒng)是捷聯(lián)姿態(tài)航向參考系統(tǒng)的簡稱，它是將慣性器件直接固定連接在載體上，載體坐標系相對于慣性坐標系的角速度和加速度，分別利用陀螺儀和加速度計進行測量。航向、滾轉、俯仰為載體的實時運動姿態(tài)，其信息可通過傳感器的數(shù)據(jù)融合算法進行解算。飛行控制計算機模板和捷聯(lián)航姿系統(tǒng)所需的磁羅盤、陀螺儀、加速度計等傳感器固定連接［8］，即飛行控制計算機和捷聯(lián)航姿系統(tǒng)進行一體化設計，所設計的捷聯(lián)航姿系統(tǒng)結構框圖如圖4所示。

捷聯(lián)航姿系統(tǒng)包括陀螺儀、加速度計和磁羅盤等模塊。飛行控制計算機對系統(tǒng)對傳感器采集到的三維角速度、加速度、磁場分量進行數(shù)據(jù)融合并計算出四元數(shù)，進而反解出三維的姿態(tài)角，供飛行控制系統(tǒng)讀取姿態(tài)。

2.7氣壓高度計模塊

為了保證飛行控制系統(tǒng)的準確性和可靠性，采用慣性測量單元、氣壓高度計和GPS 3個傳感器信號，進行信息融合后得到的高度信息作為飛行控制律運算的高度反饋信號，提高系統(tǒng)高度測量的準確性和可靠性。采用博世科技公司的BMP085氣壓傳感器，具有精度高、體積小和成本低等特點。

BMP085是一款超低功耗、高精度的壓力傳感器，性能卓越，功耗低，只有3 μA，絕對精度最低可以達到0.03 hPa。通過I2C總線直接與飛行控制計算機相連，氣壓高度計模塊的電路設計圖如圖5所示。

圖3　DA輸出電路原理圖Fig.3　Schematic diagram of the DA output circuit

圖4　捷聯(lián)航姿系統(tǒng)結構圖Fig.4　Structure diagram of the AHRS circuit

圖5　氣壓高度計電路原理圖Fig.5　Schematic diagram of the barometric altimeter circuit

2.8鐵電存儲器擴展模塊

無人機飛行控制系統(tǒng)的軟件程序在飛行前需要配置許多參數(shù)，如航路的航點數(shù)據(jù)。鐵電存儲器擴展模塊中存儲參數(shù)，參數(shù)的配置是通過上位機軟件通過串口通訊實時進行的，其還可以對飛行狀態(tài)信息進行實時存儲，這些飛行信息對飛行狀態(tài)的后續(xù)分析，有很大幫助，尤其在無人機出現(xiàn)故障甚至引起墜機等意外事件，所存儲飛行前的飛行數(shù)據(jù)有助于查找事故原因。

基于總線接口和數(shù)據(jù)存儲空間的兩個因素，鐵電RAM選定了FM24V10作為數(shù)據(jù)記錄載體，其具有高速I2C總線接口，1M位存儲空間，它可直接與飛行控制計算機的I2C模塊相接。鐵電存儲器擴展模塊電路原理圖如圖6所示。

圖6　鐵電存儲器擴展電路原理圖Fig.6　Schematic diagram of the ferroelectric memory extension circuit

3　結束語

無人機飛行控制計算機是飛行控制系統(tǒng)軟件得以運行的載體，筆者著重從飛行控制計算機硬件的各個具體模塊進行了研究，設計并開發(fā)了飛行控制計算機。該飛行控制計算機成功應用于某型無人機的飛行試驗中，實驗和測試結果表明該飛行控制計算機設計合理。

［1］古月徐，楊忠，龔華軍.基于DSP的飛行控制器的設計與半實物仿真［J］.自動化技術與應用，2005，24（2）：28-32.

［2］蘇奎峰，呂強，鄧志東，等.TMS320x28xxx原理與開發(fā)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］Texas Instruments.TMS320x2833x System Control and Interrupts Reference Guide［Z］.Literature Number：SPRUFB0， 2007.

［4］Robert s J M，Corke P I，Buskey G.Low cost flight control system for a small autonomous helicopters［C］//Proc 2002 Austalasian Conference on Roboticsand Automation，2003：27229.

［5］張登成.某小型低空高速無人機控制律設計與仿真［J］.彈箭與制導學報，2006，27（1）：25-28.

［6］戴文雯.新型無人直升機飛行控制技術研究［D］.南京：南京航空航天大學，2007.

［7］Mario Valenti，Brett Bethke，Daniel Dale．The MIT indoor multivehicle flight testbed［C］//IEEE International Conference on Robotics and Automation，2007：2758－2759．

［8］劉愛元，王連生，曲寧.基于PC/104嵌入式計算機的慣導模擬器設計［J］.電子設計工程，2005（11）：26-30.

Hardware design on flight control computer for a certain UAV

GUO Yu-jin1，WANG Dao-bo2，LU Yin3
（1.The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210007，China；2.College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；3.Research Institute of Unmanned Aerial Vehicle，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

According to the high performance and miniaturization requirements for a certain UAV，the flight control computer hardware is designed and developed based on DSP as the processing core.The design methods and principle diagrams of each module for the flight control computer hardware are given in detail，including：DSP minimum system module，analog signal conditioning module，digital signal input/output module，DA output module，serial communication expansion module，strapdown attitude system module，barometric altimeter module，ferroelectric memory expansion module.The flight control computer has the characteristics of small volume，strong autonomous navigation ability，and is applied to flight experiment for a certain UAV successfully.

UAV；flight control computer；hardware design；DSP microprocessor

TP211+.5

A

1674－6236（2016）03-0050-03

2015-03-15稿件編號：201503200

郭昱津（1988—），女，江蘇南京人。研究方向：無人機飛行控制系統(tǒng)、空中管理等。