新型無人機機載機電管理計算機研究與設計

孫沛+郭警濤

摘 要：針對無人機機電系統(tǒng)對穩(wěn)定性和靈活性越來越高的要求，該文通過對機電管理計算機總體方案的分析和研究，依據(jù)模塊化設計思路，分別對機電管理計算機的硬件平臺和軟件進行了設計，闡述了硬件電路和軟件流程的設計過程，通過在某無人機上的實踐應用證明，該機電管理計算機具有高精度、高可靠性的優(yōu)點，且易于升級和功能擴展，具有一定的工程應用價值。

關鍵詞：無人機 機電管理計算機 飛行器管理計算機 電磁干擾 外場可更換部件

中圖分類號：V243 文獻標識碼： 文章編號：1672-3791（2016）11（b）-0005-02

無人機是一種由動力驅動、機上無人駕駛、可重復使用的航空器的簡稱。它以其重量輕、體積小、造價低、隱蔽性好的性能特點， 更適于完成危險性大、機動性高的那些普通飛機難以完成的任務， 越來越廣泛應用于軍需民用的各個方面。

UMC（Utility Management Computer/機電管理計算機）是無人機系統(tǒng)的重要組成部分，實現(xiàn)對無人機整個機電系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測與控制，其中UMC完成信息采集、信息處理、信息輸出的功能。UMC的性能要求做到快速、實時、準確，通常采用基于嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，核心是嵌入式處理器，功能完善的機電管理計算機已成為現(xiàn)代飛機的標志[1-2]。

該文通過對機電管理計算機的總體方案設計、硬件設計和軟件設計，實現(xiàn)了無人機機電管理系統(tǒng)對于高精度、高可靠性和實時性的要求。

1 UMC總體方案

UMC是一個外場可更換部件（LRU），對液壓系統(tǒng)、火警系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、EPU等系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，并將這些數(shù)據(jù)經過處理后通過1553B總線傳給VMC（Vehicle Management Computer/飛行器管理計算機）和飛參。具體的UMC原理如圖1所示。

2 UMC硬件設計

UMC硬件設計遵循模塊化設計原則，主要包括數(shù)據(jù)處理模塊、總線接口模塊、串行通訊模塊、離散量采集模塊、離散量驅動模塊、模擬量采集模塊[3-4]。硬件結構框圖如圖2所示。

2.1 數(shù)據(jù)處理模塊設計

數(shù)據(jù)處理模塊完成對UMC的控制和管理、與其他功能模塊進行信息交換并完成解算和控制等任務，實現(xiàn)與VMC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞功能，完成UMC數(shù)據(jù)的記錄和輸出等功能。數(shù)據(jù)處理模塊由中央處理器CPU、程序存儲器、非易失存貯器、數(shù)據(jù)存儲器、中斷控制器、計時器、看門狗電路、自測試電路及控制電路等組成。數(shù)據(jù)處理模塊和其他模塊間握手方法為查詢、中斷或無條件讀寫。具有兩路用于軟件調試的RS-232接口。

2.2 總線接口模塊設計

總線接口模塊主要完成UMC與VMC和飛參之間的數(shù)據(jù)通訊，總線接口模塊的功能電路主要由通信控制器、總線協(xié)議處理器、雙端口存儲器、主機接口電路、實時時鐘、看門狗計時器、雙通道收發(fā)電路組成。其中，通信控制器主要完成總線協(xié)議處理器的初始化、多消息組織及傳輸管理工作，并響應主機命令，負責與主機進行信息交換等。通信控制器具有16位的微處理器、8K×16 位的EPROM及8K×16位的RAM。通信控制器具有中斷處理功能；總線協(xié)議處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能；雙端口存儲器容量為8 kB，用于存放從多路傳輸數(shù)據(jù)總線接收或發(fā)送到多路傳輸數(shù)據(jù)總線上的所有消息和存放協(xié)議執(zhí)行過程中所使用的通信命令表。

2.3 串行通訊模塊設計

串行通訊模塊用于完成RS-422A異步串行數(shù)據(jù)通信接口。異步串行數(shù)據(jù)通信接口傳輸率：9 600 bps。在串行通訊模塊中包括緩沖驅動電路，譯碼控制電路，時鐘電路，串行通信電路。串行通信控制電路由88C681芯片構成。88C681與CPU之間的握手方式為中斷方式。該電路的主要功能是完成數(shù)據(jù)通信過程信息的編碼格式及數(shù)據(jù)串/并轉換等。時鐘電路由晶體振蕩器、驅動電路組成，用于產生88C681的工作時鐘。采用3.686 4 MHz的晶體振蕩器，由54HCT244進行驅動。接收和發(fā)送電路由MAX488、MAX483芯片分別構成RS422的全雙工/半雙工通信鏈路。保護電路由電阻、電容和穩(wěn)壓網絡組成，可防止電磁干擾。

2.4 離散量采集模塊設計

離散量模塊主要完成離散量信號的輸入及變換。通過設計激勵電路、狀態(tài)回讀電路實現(xiàn)測試功能。離散量模塊主要由EMI電路、電平轉換電路、緩沖驅動電路、譯碼控制電路、BIT支持電路等組成。BIT電路按CPU要求執(zhí)行自測試。譯碼電路控制離散量模塊和CPU 的數(shù)據(jù)傳送和指令譯碼，控制離散量模塊的動作。當上電復位時，從子系統(tǒng)來的信號經EMI濾波，并經電平變換電路變換成一個TTL兼容電平，經數(shù)據(jù)緩沖器，等待CPU讀取，數(shù)據(jù)傳送方式為無條件傳送，供CPU處理。

2.5 模擬量采集模塊設計

模擬量模塊主要完成模擬量信號的輸入及變換等功能。離散量模塊主要由LBE總線接口電路、A/D轉換電路接口電路、模擬多路開關、隔離/濾波放大電路、譯碼控制電路、譯碼/控制電路、自測試支持電路。

3 UMC軟件設計

UMC軟件主要完成對供電系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、火警系統(tǒng)、EPU系統(tǒng)的實時監(jiān)測與控制，并將監(jiān)測到的機電系統(tǒng)狀態(tài)信息上傳VMC和飛參，并接受VMC的控制指令。軟件的設計重點主要是任務的劃分及優(yōu)先級的設定，該系統(tǒng)選用國產天脈操作系統(tǒng)，以充分滿足UMC實時通訊的要求。

UMC軟件的工作流程如圖3所示， UMC加電啟動后執(zhí)行主程序進行自檢測，若有錯誤，則報UMC自身故障，若成功，則創(chuàng)建主任務并執(zhí)行，包括數(shù)據(jù)的采集和處理、數(shù)據(jù)的控制解算、總線通訊、周期BIT測試等，最終完成對機電系統(tǒng)的實時監(jiān)測和管理。

4 結語

該文研究了典型機電管理計算機的設計架構與軟硬件實現(xiàn)，并將該機電管理計算機應用于某無人機機電管理系統(tǒng)。經過系統(tǒng)聯(lián)試試驗，機電管理計算機穩(wěn)定可靠，實踐結果表明，該設計方案合理可行，能夠滿足無人機機電管理計算機對于高精度和實時性的要求。

參考文獻

[1]Soumelidis A，Gaspar P，Regula G，et al.Control of an experiment-tal mini quad-rotor UAV[C]//Conference on Control and Automation.2008.

[2]馮琦，周德云.軍用無人機發(fā)展趨勢[J].電光與控制，2003，10（1）：9-13.

[3]董延軍，劉瑩，張曉斌.1553B總線測控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2008，16（11）：1578-1581.

[4]周文霞，胡志忠，肖前貴，等.基于ARM的某型無人機飛控計算機設計[J].計算機測量與控制，2009，17（7）：1286-1288.

[5]蘇連棟.無人作戰(zhàn)飛機任務系統(tǒng)設計關鍵技術[J].飛機設計，2008，28（6）：66-68.