多旋翼無人機(jī)飛控系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)研究

周飛

（上海蔚蘭動力科技有限公司，上海，201103）

飛控系統(tǒng)（Flight Control System）是無人機(jī)的大腦，多軸無人機(jī)的飛行計(jì)劃，姿態(tài)變化控制等都是由飛機(jī)上的傳感器系統(tǒng)傳回飛控系統(tǒng)，經(jīng)過飛控的運(yùn)算和判斷，下達(dá)相關(guān)指令，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動作和飛行姿態(tài)調(diào)整。典型的飛控系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 典型的飛控系統(tǒng)架構(gòu)

隨著高集成度，高性能傳感器及處理器的快速發(fā)展，當(dāng)前行業(yè)無人機(jī)市場如巡檢，測繪，農(nóng)業(yè)機(jī)械等對無人機(jī)的需求擴(kuò)張迅猛，對高可靠性，高穩(wěn)定的無人機(jī)解決方案需求迫切，當(dāng)前的主流飛控系統(tǒng)架構(gòu)主要是以固定配置非冗余設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，架構(gòu)簡單，處理能力較弱，對復(fù)雜飛行任務(wù)處理響應(yīng)過慢，為提升飛控系統(tǒng)的可靠性及安全性，增強(qiáng)飛控系統(tǒng)的復(fù)雜任務(wù)處理能力，本文提供了一種基于Cortex M7 處理器的無人機(jī)飛控系統(tǒng)架構(gòu)，從系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計(jì)及關(guān)鍵器件選型三方面詳細(xì)闡述飛控的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 飛控系統(tǒng)架構(gòu)需求分析

無人機(jī)飛控系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航及數(shù)傳系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)四大部分組成，結(jié)合可靠性、安全性、高性能、經(jīng)濟(jì)性的系統(tǒng)要求，下面將飛控架構(gòu)需求分解細(xì)化如下：

（1）電源系統(tǒng)：要求電源部分支持電池，本地直充，備用電池輸入三種電源供電方式，三種電源之間按設(shè)定優(yōu)先級進(jìn)行供電選擇，電源轉(zhuǎn)換模塊支持5～36V直流寬壓輸入；

（2）控制系統(tǒng)：是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算控制中心，負(fù)責(zé)對外置的傳感器信號收集，并根據(jù)飛控算法輸出相應(yīng)控制信號；同時(shí)包含通信總線組成的通信網(wǎng)絡(luò)，即與傳感器單元，遙控單元，攝影單元及本地調(diào)試設(shè)備間的通信，同時(shí)也包含冗余設(shè)計(jì)需要的雙控制板間通信；

（3）導(dǎo)航及數(shù)傳系統(tǒng)：是包含GPS，數(shù)傳，磁羅盤在內(nèi)的獨(dú)立安裝的功能單元；

（4）驅(qū)動系統(tǒng)：主要是相應(yīng)的IO 接口輸出驅(qū)動電機(jī)信號。

其中四部分功能單元根據(jù)實(shí)際可靠性設(shè)計(jì)需求，應(yīng)都滿足冗余設(shè)計(jì)，即需要提供相應(yīng)的通信接口，接入冗余備用功能單元，通過相應(yīng)的軟件控制邏輯實(shí)現(xiàn)主備功能單元間的切換。

2 系統(tǒng)架構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)

基于上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，綜合可靠性方面的考慮，本文分三部分進(jìn)行相應(yīng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)：系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)。

無人機(jī)飛控系統(tǒng)有區(qū)別于其他控制系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)：

（1）傳感器單元，特別是慣性測量傳感器單元對振動特別敏感，無人機(jī)電機(jī)振動對慣性測量單元影響較大；

（2）體積受限，無人機(jī)的續(xù)航能力受機(jī)身重量及體積影響較大，且重心設(shè)計(jì)也有一定影響；

（3）可靠性冗余設(shè)計(jì)，飛控系統(tǒng)的四大功能單元均有冗余設(shè)計(jì)的需求。

基于以上架構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)需求，本方案提供了一種創(chuàng)新的架構(gòu)設(shè)計(jì)，從模塊單元的功能，體積兩方面出發(fā)，將飛控系統(tǒng)根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)原則分為五塊電路板：電源與驅(qū)動系統(tǒng)板、主控板、傳感器板、導(dǎo)航及數(shù)傳單元、通信切換板。

飛控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，極大提升了系統(tǒng)的配置靈活性，在模塊化設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)模塊間通信的數(shù)據(jù)量和速率進(jìn)行接口匹配，盡量減少板間連接器的引腳數(shù)量，系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 飛控系統(tǒng)硬件框圖及關(guān)鍵器件選型

圖3 飛控系統(tǒng)電源子系統(tǒng)選型及邏輯圖

3 硬件設(shè)計(jì)

■3.1 電源與驅(qū)動板

電源與驅(qū)動板功能主要是負(fù)責(zé)電源輸入電壓轉(zhuǎn)換，輸出電機(jī)驅(qū)動信號及遙控設(shè)備等外部通信接口。根據(jù)實(shí)際需求，選擇ADI 的LTC4417 方 案，該方案支持輸入電壓范圍2.5V ～36V，從三路外部輸入電壓中選擇優(yōu)先級較高的電源，有對電池反接提供-42V保護(hù)，方案本身有過壓欠壓保護(hù)，P 溝道MOSFET 柵極保護(hù)鉗位，24 腳窄體SSOP 封裝，體積較小，經(jīng)此電源轉(zhuǎn)換芯片后電壓穩(wěn)定為5V 電壓，驅(qū)動整個(gè)飛控系統(tǒng)電路。

電源系統(tǒng)中的電池部分，通過SHUNT 電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測電池的電流，通過電阻分壓監(jiān)測電池的供電情況，此部分電壓與電流監(jiān)測信號通過連接器傳遞到控制板的主MCU，通過主MCU 的ADC 通道進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測。

可靠性冗余設(shè)計(jì)方面，采用PMEG2010 二極管作為冗余隔離，支持備用電源系統(tǒng)接入，防止主電源系統(tǒng)LTC4417失效，二級降壓電路采用MIC5332 雙路LDO 方案，將主控芯片，IO 芯片，及傳感器芯片分開供電，減少供電電源間的干擾。

對于驅(qū)動功能，無人機(jī)電機(jī)驅(qū)動PWM 信號由從MCU輸出，從MCU提供8路PWM信號，為提升PWM的驅(qū)動能力，增加buffer 芯片TXS0108ERGYR，PWM 信號輸出經(jīng)此處理還可以防浪涌反灌損壞MCU 芯片，也對PWM 上的噪聲信號有一定的抑制作用。此部分驅(qū)動信號經(jīng)控制系統(tǒng)板輸出到電源板上連接器，通過線束與電機(jī)連接。在可靠性冗余設(shè)計(jì)方面，兩套獨(dú)立的控制系統(tǒng)輸出的驅(qū)動信號通過電源驅(qū)動板上的模擬開關(guān)進(jìn)行切換輸出。

在PCB 設(shè)計(jì)上，因電源系統(tǒng)與驅(qū)動輸出的接口合并在同一塊PCB 上，連接器較多，為節(jié)省PCB 面積，提高電源板抗電磁干擾能力，PCB 采用四層板進(jìn)行設(shè)計(jì)，疊層關(guān)系為信號（TOP）－參考地－電源－信號（BOT），其中信號（TOP）層因離完整的參考地最近，諸如驅(qū)動信號等關(guān)鍵信號優(yōu)先布局在此層。

■3.2 主控板

單獨(dú)的主控板設(shè)計(jì)采用的是核心板的概念，將主控單元獨(dú)立設(shè)計(jì)成核心板，可以極大減少項(xiàng)目重復(fù)開發(fā)時(shí)間，方便移植到類似項(xiàng)目上，同時(shí)核心板設(shè)計(jì)屬于模塊化設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)處理能力升級提供了基礎(chǔ)。

主控芯片方案的選型在考慮通信接口類型及數(shù)量，控制IO 數(shù)量，信號處理計(jì)算需求三個(gè)因素，采用雙MCU 方案，主MCU 采用Cortex M7 架構(gòu)的STM32F427 芯片，主要用作通信功能，飛控算法處理，數(shù)據(jù)存儲功能，從MCU 采用STM32F100C8，重點(diǎn)作為驅(qū)動IO 處理，驅(qū)動電機(jī)工作。采用雙MCU 方案，可以降低主MCU 的引腳數(shù)量，降低對MCU 處理能力的需求，從而降低成本，同時(shí)將功能相對獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動信號分離到獨(dú)立的從MCU 上，通過功能專用的策略，提升飛控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

控制系統(tǒng)同時(shí)包含狀態(tài)指示電路，通過LED 燈將飛控板的狀態(tài)顯示出來，狀態(tài)顯示分為兩部分，一部分為本地顯示，即包含飛控板啟動狀態(tài)，調(diào)試告警信息等，這部分信息只能在無人機(jī)在地面調(diào)試，校準(zhǔn)時(shí)才可以看到，另外一部分為高亮LED 燈指示，顯示飛行狀態(tài)即機(jī)頭方向，此部分可以在低空飛行時(shí)顯示，三色LED 驅(qū)動方案選擇TCA62724FMG。

飛控系統(tǒng)的通信分為板內(nèi)通信和板外通信，板內(nèi)主要是板載傳感器，狀態(tài)指示系統(tǒng)，存儲系統(tǒng)通信；板外通信主要是外接部分傳感器模塊，包含GPS 導(dǎo)航，數(shù)傳電臺，攝像頭，磁羅盤等。無人機(jī)的板內(nèi)通信特點(diǎn)為通信數(shù)據(jù)量較少，速率要求不高，通用UART 串口通信完全可以滿足，但是要求的通信接口數(shù)量包含冗余通信接口數(shù)量達(dá)到7 路，包含GPSx2，數(shù)傳x2，攝像頭x1，4G 網(wǎng)絡(luò)x1，從MCUx1，SPI 串行高速總線數(shù)量為3 路，包含傳感器接口，本地存儲芯片接口和預(yù)留外置接口。

可靠性冗余設(shè)計(jì)方面，控制系統(tǒng)的冗余采用可靠性較高的CAN 總線進(jìn)行通信，交互飛控執(zhí)行數(shù)據(jù)，同時(shí)通過IO 接口進(jìn)行主備信號檢測。在控制系統(tǒng)輸出方面，采用SPDT 模擬開關(guān)TS5A3159-Q1 進(jìn)行信號切換，模擬開關(guān)的控制信號由主控系統(tǒng)控制，一旦切換至備用系統(tǒng)，則控制信號自動切換至默認(rèn)上拉控制模式。

■3.3 傳感器板

此功能單元對安裝環(huán)境要求較高，工作環(huán)境中電信號噪聲，振動噪聲，溫度等變化會極大地影響傳感器功能單元的精度和穩(wěn)定性，所以此電路板需要進(jìn)行減震功能設(shè)計(jì)，獨(dú)立的電路板可以減少結(jié)構(gòu)減震設(shè)計(jì)的難度，減少系統(tǒng)體積。

板載傳感器系統(tǒng)主要是慣性測量系統(tǒng)，氣壓監(jiān)測系統(tǒng)，其中慣性測量系統(tǒng)是由9 軸姿態(tài)傳感器組成，包含3 軸加速度計(jì)，選型為ADI 的ADXL346ACCZ，3 軸磁力計(jì)，選型為IIS2MDC 和3 軸陀螺儀，選型為2 顆ADXRS290BCE，此9 軸組合性價(jià)比高，穩(wěn)定性好，結(jié)合結(jié)構(gòu)上的減震，性能完全可以滿足無人機(jī)需求。板載兩路氣壓傳感器，選型MS5611，傳感器板通過SPI 與控制系統(tǒng)通信。

PCB 設(shè)計(jì)方面，傳感器芯片基本只包含電源，中斷及SPI 通信走線，PCB 采用四層板，PCB 變形對傳感器精度影響較大，所以板厚1.6mm，因慣導(dǎo)傳感器均屬于MEMS微機(jī)電系統(tǒng)，所以在實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免減震材料與傳感器芯片接觸，保證芯片周圍空間足夠大，同時(shí)為精確監(jiān)測無人機(jī)姿態(tài)，傳感器位置盡量居中防止，傳感器的X，Y，Z 軸方向盡量統(tǒng)一，以方面軟件開發(fā)。

■3.4 通信功能切換板

當(dāng)系統(tǒng)需要主控板冗余設(shè)計(jì)時(shí)，同一套傳感器信號需要同時(shí)輸出給兩個(gè)主控板，此時(shí)需要保證信號傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，通信功能切換板可以通過高速串口信號實(shí)時(shí)將傳感器信號傳輸給兩個(gè)主控系統(tǒng)，此功能板在非冗余飛控系統(tǒng)中不需要安裝。

從經(jīng)濟(jì)性的角度，切換板選擇NXP 的MKL17Z32VFM4為通信芯片，該芯片支持3 路SPI 通信接口，其中2 路設(shè)置為Master 模式，分別支持訪問獨(dú)立的2 套慣導(dǎo)系統(tǒng)，1路設(shè)置為Slave 模式，供控制系統(tǒng)訪問。板載傳感器增加選型MPU9250 作為第二套方案，兩套方案既可以做主備使用，也可以通過卡爾曼融合算法進(jìn)行融合，提升系統(tǒng)姿態(tài)監(jiān)測精度和穩(wěn)定性。

■3.5 導(dǎo)航與數(shù)傳板

此功能板主要是支持外接的GPS 模塊，數(shù)傳模塊等，包含GPS/RTK GPS 模組（UBLOX M8N），磁羅盤模組(HMC5883)，與慣性測量系統(tǒng)算法融合，提供精確的位置和導(dǎo)航信息，另外還有數(shù)傳電臺模組，4G 通信模組，攝像頭模組等功能單元，完成與地面站的通信。此類功能模塊對空間安裝要求高，需要空曠的空間以進(jìn)行射頻通信。

創(chuàng)新的將飛控系統(tǒng)按功能單元及安裝要求進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，板間通過柔性線纜和插針連接器連接，可以極大縮小飛控系統(tǒng)電路板的水平面積，局部減震設(shè)計(jì)極大提升了傳感器單元的性能。

■3.6 小結(jié)

基于各硬件功能子單元選型及連接設(shè)計(jì)，圖4 對飛控子系統(tǒng)的板級連接進(jìn)行說明，飛控系統(tǒng)最小核心設(shè)計(jì)為三塊電路板，即圖4 所示的電源板，主控板及傳感器板，基于系統(tǒng)可靠性的冗余設(shè)計(jì)，可以額外配置電源板與主控板，增加通信功能切換板，保證通信的實(shí)時(shí)性。

圖4 飛控系統(tǒng)硬件電路連接圖

4 飛控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

飛行控制需要清晰的優(yōu)先級設(shè)計(jì)和可靠的定時(shí)系統(tǒng)，通過使用多線程操作系統(tǒng)和高效的驅(qū)動程序與中斷優(yōu)先級的正確調(diào)度來保證控制循環(huán)的精確執(zhí)行。飛控軟件包含導(dǎo)航功能單元，航路規(guī)劃與制導(dǎo)功能單元，飛行管理功能單元，飛行控制功能單元及相關(guān)日志記錄數(shù)據(jù)存儲單元，目前大部分飛控系統(tǒng)基本上都是基于開源飛控資源進(jìn)行的二次開發(fā)，主流的開源無人機(jī)飛控包括APM，PIXHAWK，KK，F(xiàn)4，CC3D，MWC 等，基本邏輯為飛行計(jì)劃設(shè)定，位置信息設(shè)定，姿態(tài)信息設(shè)定，電機(jī)驅(qū)動信號輸出四部分，其中位置與姿態(tài)信息數(shù)據(jù)來自傳感器系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過各種融合算法進(jìn)行位置與姿態(tài)信息的輸出。飛控系統(tǒng)中控制各種飛行模式的功能單元為狀態(tài)機(jī)，用來根據(jù)具體的飛控指令進(jìn)行相應(yīng)的模式切換。通用的飛控軟件架構(gòu)邏輯框圖如圖5 所示。

圖5 飛控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

以目前應(yīng)用廣泛的PIXHAWK 開源飛控軟件為例，其核心操作系統(tǒng)為NuttX 實(shí)時(shí)ARM 系統(tǒng)，附帶了一系列工具集、系統(tǒng)驅(qū)動、主控與外圍軟件接口，這些功能單元最終隨操作系統(tǒng)一起，統(tǒng)一編譯成固件形式上傳至飛控主控板中，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。PIXHAWK 開源飛控軟件架構(gòu)可以分為三部分：

（1）NuttX 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

NuttX 是實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)（Embedded RTOS），采用模塊化設(shè)計(jì)，配置靈活，體積較小，PIXHAWK 開源飛控軟件采用NuttX 系統(tǒng)，提供POSIX-style 的用戶操作環(huán)境，例如printf(), open(),write(),poll(),ioctl()等操作，進(jìn)行底層的任務(wù)調(diào)度。這也是PIXHAWK 飛控軟件開源后做的最大改動，采用NuttX 這個(gè)完全可擴(kuò)展，實(shí)時(shí)，開放的系統(tǒng)符合POSIX 標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到簡化開發(fā)的目的。

（2）PIXHAWK 中間件

在NuttX 操作系統(tǒng)上面，運(yùn)行著PIXHAWK 中間件，包含存儲、傳感器驅(qū)動、與內(nèi)外部模塊間的通信，中間件提供了微對象請求代理uORB(Micro object request broker)，其功能是為系統(tǒng)中運(yùn)行的各單任務(wù)間提供異步通信。中間層還包括仿真功能，可使飛控軟件在桌面操作系統(tǒng)環(huán)境下，控制仿真環(huán)境中的無人機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)對飛控程序正確性的驗(yàn)證。

（3）PIXHAWK 飛行控制棧

飛行控制棧是無人機(jī)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制的集成，運(yùn)行于PIXHAWK 中間件之上，包含的功能單元總結(jié)如下：

導(dǎo)航?jīng)Q策部分：根據(jù)無人機(jī)當(dāng)前自身的安全狀態(tài)和接收到的指令，決定進(jìn)入具體的工作模式，并計(jì)算出下一步行動。

位置姿態(tài)估計(jì)：根據(jù)飛控系統(tǒng)中的加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)等傳感器得到自身的位置，此部分的核心算法較多，也是各飛控軟件性能區(qū)別的重要部分之一。

位置姿態(tài)控制部分：根據(jù)系統(tǒng)指令期望的位置和姿態(tài)設(shè)計(jì)的控制結(jié)構(gòu)，盡可能又快又穩(wěn)地達(dá)到期望的位置和姿態(tài)。

控制器輸出：依據(jù)姿態(tài)控制的指令經(jīng)過混控器進(jìn)行電機(jī)控制指令的輸出。

5 總結(jié)

本文提供了一種多旋翼無人機(jī)飛控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，基于模塊化設(shè)計(jì)思路，從電路板結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計(jì)，硬件電路冗余可靠性設(shè)計(jì)及高性能處理器、傳感器方案選型，軟件邏輯設(shè)計(jì)三方面進(jìn)行了系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)闡述，提出了一種靈活配置的冗余設(shè)計(jì)的方案，解決了飛控系統(tǒng)對可靠性，安全性方面的需求，同時(shí)考慮了飛控系統(tǒng)成本，體積及性能平衡，整體架構(gòu)設(shè)計(jì)擁有一定的技術(shù)先進(jìn)性。