基于SmartFusion的無(wú)人機飛行控制系統設計

摘要：為了使無(wú)人機飛行控制系統具有強大的數據處理能力、較低的功耗、較強的靈活性和更高的集成度，提出了一種以SmartFusion為核心的無(wú)人機飛行控制系統解決方案。為滿(mǎn)足飛控系統實(shí)時(shí)性和穩定性的要求，系統采用了μC／OS-Ⅱ實(shí)時(shí)操作系統。與傳統的無(wú)人機飛行控制系統相比，在具有很強的數據處理能力的同時(shí)擁有較小的體積和較低的功耗。多次飛行證明，各個(gè)模塊設計合理，整個(gè)系統運行穩定，可以用作下一代無(wú)人機高性能應用平臺。
關(guān)鍵詞：無(wú)人機；飛行控制系統；SmartFusion芯片；μC／OS-Ⅱ

0 引言
飛行控制系統是無(wú)人機的重要組成部分，是飛行控制算法的運行平臺，它的性能好壞直接關(guān)系著(zhù)無(wú)人機能否安全可靠的飛行。隨著(zhù)航空技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機飛行控制系統正向著(zhù)多功能、高精度、小型化、可復用的方向發(fā)展。高精度要求無(wú)人機控制系統的精度高，穩定性好，能夠適應復雜的外界環(huán)境，因此控制算法比較復雜，計算速度快，精度高；小型化則對控制系統的重量和體積提出了更高的要求，要求控制系統的性能越高越好，體積越小越好。此外，無(wú)人機飛行控制系統還要具有實(shí)時(shí)、可靠、低成本和低功耗的特點(diǎn)。基于以上考慮，本文從實(shí)際工程應用出發(fā)，設計了一種基于SmartFusion的無(wú)人機飛行控制系統。

1 飛控系統總體設計
飛行控制系統在無(wú)人機上的功能主要有兩個(gè)：一是飛行控制，即無(wú)人機在空中保持飛機姿態(tài)與航跡的穩定，以及按地面無(wú)線(xiàn)電遙控指令或者預先設定好的高度、航線(xiàn)、航向、姿態(tài)角等改變飛機姿態(tài)與航跡，保證飛機的穩定飛行，這就是通常所謂的自動(dòng)駕駛；二是飛行管理，即完成飛行狀態(tài)參數采集、導航計算、遙測數據傳送、故障診斷處理、應急情況處理、任務(wù)設備的控制與管理等工作。
飛行控制系統主要完成3個(gè)功能任務(wù)，其層次構成為三層：最底層的任務(wù)是提高無(wú)人機運動(dòng)和突風(fēng)減緩的固有阻尼——三個(gè)軸方向的阻尼器功能；第2層的任務(wù)是穩定無(wú)人機的姿態(tài)角——基本駕駛儀的功能(主要進(jìn)行角運動(dòng)控制)；第3層的任務(wù)是控制飛行高度、航跡和飛行速度，實(shí)現較高級自動(dòng)駕駛功能。飛行控制系統原理框圖見(jiàn)圖1。

由上述分析易知，飛行控制系統主要由飛行控制器、傳感器(或敏感元件)、舵機3部分組成。無(wú)人機飛行控制系統的基本架構如圖2所示。

飛行控制器是以SmartFusion為核心的控制計算機，它是無(wú)人機的中央控制單元，負責飛機上各個(gè)單元的協(xié)調工作，并與地面站之間進(jìn)行數據傳輸。同時(shí)根據控制算法和地面站的命令，保持飛機以一定的姿態(tài)飛行。
傳感器包括電子羅盤(pán)、角速率傳感器、高度傳感器、加速度計和GPS接收機等。電子羅盤(pán)選用霍尼韋爾HMR3300，它可以測量航向、傾角和翻滾角，輸出方式為SPI串行輸出。角速率傳感器采用的是ADI公司的ADXRS300，其輸出電壓與偏航角速率成正比。高度傳感器選擇利用半導體材料的壓阻效應原理制造的MPX4115A大氣壓力傳感器。加速度計采用的是ADI公司的ADXL203，它是電容式加速度計，具有高精度、高穩定性和低功耗等特點(diǎn)，輸出電壓經(jīng)信號調理后正比于加速度值。GPS接收機選用GPS-G03A(H)，它是一款超低功耗的GPS天線(xiàn)接收一體機，可給出經(jīng)緯度，時(shí)間和速度等信息，以RS 232串口形式傳輸數據。
舵機包括升降舵、方向舵、副翼。舵機的控制信號是脈寬調制信號，便于和飛控計算機進(jìn)行接口。

2 飛控計算機硬件電路設計
無(wú)人機的飛行控制計算機是無(wú)人機飛行控制系統的核心，其硬件結構如圖3所示。它的功能主要由SmartFusion單芯片最小系統及外圍電路實(shí)現，另外還有一個(gè)電源模塊用來(lái)提供系統所需的各類(lèi)電壓和對供電電池進(jìn)行管理。

SmartFusion系列結合了邏輯、微控制器子系統(MSS)和可編程模擬模塊，即帶有Actel經(jīng)過(guò)驗證的FPGA架構和基于ARM Cortex-M3硬核處理器子系統，以及可編程FLASH模擬模塊。實(shí)現易于使用的完全可定制系統設計平臺，使嵌入式設計人員無(wú)需進(jìn)行線(xiàn)路板級改變，就能夠快速優(yōu)化硬件／軟件并折中權衡。在SmartFusion器件內，所有數據都會(huì )從處理器傳送到FPGA，或從模擬模塊傳送到處理器，或在FPGA和片上模擬模塊之間傳送。此外，Actel的FLASHLock技術(shù)也提供了出色的IP安全保障。
SmartFusion的主要特點(diǎn)和功能體現在：
(1)功能齊全的FPGA。SmartFusion器件具有Actel經(jīng)過(guò)驗證的基于快速閃存技術(shù)ProASIC3 FPGA架構，使用先進(jìn)的130 nm七層快閃CMOS工藝技術(shù)，系統門(mén)密度范圍為60K～500K，并具有350 MHz的工作頻率和最多204個(gè)I／O。這種組合能夠集成來(lái)自其他器件的現有功能，大幅減少線(xiàn)路板空間和總體系統的功耗。
(2)微控制器子系統。器件的智能性是以微控制器子系統的形式加入FPGA的，子系統帶有100 MHz工作頻率的ARM Cortex-M3處理器硬核，全部標準外設和功能包括：多層AHB通信矩陣，吞吐率高達16 Gb／s，帶有RMI接口的10M／100M以太網(wǎng)MAC和SPI，I2C，UART和32位定時(shí)器。具有最高512 KB閃存，64 KB SRAM和外部存儲器控制器(EMC)以及8通道DMA控制器。
(3)可編程模擬模塊。創(chuàng )新性專(zhuān)有模擬計算引擎(ACE)能執行采樣排序和計算，能夠分擔ARM Cortex-M3處理器的模擬初始化和處理任務(wù)，可編程模擬包括：精度為1％的ADC和DAC，多達3個(gè)采樣頻率為600KS／s的12位ADC，最多3個(gè)12位第一階DAC、10個(gè)50 ns高速比較器并集成多種溫度、電壓和電流監控功能。
在這里，選用SmartFusion系列的A2F200M3作為核心芯片。它的MSS的主要功能是保持與地面站的通訊，采集姿態(tài)角數據和GPS定位數據，發(fā)送控制命令給FPGA，運行相關(guān)的飛行控制算法和導航控制算法等。FPGA架構的主要功能是采集與測量傳感器的數據，接收MSS的命令與驅動(dòng)舵機。FPGA分擔了一部分原可以采用MSS來(lái)實(shí)現的任務(wù)，使MSS有更多的時(shí)問(wèn)用于運行算法，以提高系統的整體性能。
外圍接口電路主要由RS 232接口、GPS接口、SD卡接口、傳感器信號采集通道、發(fā)動(dòng)機轉速測量通道、電池電壓檢測通道等組成。GPS和PC串口連接均需要1片MAX232芯片進(jìn)行電平轉換。SD卡用于存放飛行參數及圖像數據。MSS與FPGA之間可通過(guò)GPIO進(jìn)行數據傳輸。舵機驅動(dòng)、無(wú)線(xiàn)接收機信號檢測、信號控制等功能均由芯片的內部邏輯電路來(lái)實(shí)現，采用VerilogHDL語(yǔ)言編寫(xiě)。鑒于飛行控制和導航精度的要求，該模塊選用了TI公司的A／D芯片TLC3548，用來(lái)采集三軸加速度計、高度傳感器、三角速率陀螺輸出的電壓信號。A／D、驅動(dòng)組成框圖如圖4所示。

3 軟件設計
由于飛控計算機運行的程序復雜，信息量大，對實(shí)時(shí)性和穩定性要求高，采用單任務(wù)順序機制的編程方式已不能滿(mǎn)足飛控系統的要求，因此飛控軟件采用了實(shí)時(shí)嵌入式操作系統μC／OS-Ⅱ。μC／OS-Ⅱ是專(zhuān)門(mén)為計算機的嵌入式應用而設計的實(shí)時(shí)操作系統，是可裁減的、基于靜態(tài)優(yōu)先級的可剝奪型多任務(wù)實(shí)時(shí)內核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和微控制器，其實(shí)時(shí)性能和內核的健壯性已在大量的實(shí)際應用中得到了證實(shí)。

飛控系統的應用程序分為初始化模塊、數據采集模塊、控制解算模塊、姿態(tài)讀取模塊、GPS接收模塊、遙測發(fā)送模塊、控制量輸出模塊。任務(wù)與功能模塊資源之間的關(guān)系如圖5所示。飛行控制系統開(kāi)始運行時(shí)，飛控計算機在完成自檢后，首先進(jìn)行慣性導航系統的初始對準及任務(wù)諸元裝訂，接收初始對準裝置發(fā)送的初始姿態(tài)和位置信息，然后等待控制系統的啟動(dòng)命令。飛控系統啟動(dòng)后進(jìn)行初始化設置，根據任務(wù)優(yōu)先級、調用相應的程序模塊完成預定任務(wù)，各個(gè)任務(wù)之間的公共數據采用共享變量的方式進(jìn)行協(xié)同，但需要采取一定的保護措施。

4 結語(yǔ)
基于SmartFusion的無(wú)人機飛控系統具有體積小，精度高，運算速度快，可剪裁性的優(yōu)點(diǎn)，特別是軟件上采用μC／OS-Ⅱ實(shí)時(shí)操作系統，使飛控系統具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。該飛控系統已在某型無(wú)人機上得到了應用，飛行驗證表明系統設計滿(mǎn)足要求。本文設計的飛控系統具有一定的工程應用價(jià)值，為飛控系統的設計提供了借鑒。