多單片機通信的無(wú)人機飛行安控器設計

某國產(chǎn)大型高亞音速無(wú)人機采用的是遙控+自動(dòng)駕駛儀體制控制飛行，該型無(wú)人機目前還不具備自主導航飛行能力，主要依靠接收地面遙控指令完成飛行任務(wù)。在遙控系統發(fā)生故障等不受控情況下，有可能飛出預定區域，給周邊大城市或重要目標帶來(lái)威脅甚至造成重大損失。為此設計了一種無(wú)人機飛行安控器，當無(wú)人機飛出預定區域時(shí)，安控器執行安控指令，使無(wú)人機自行墜毀在預定區域邊沿。
由于無(wú)人機對安控器執行安控的可靠性要求較高，為了保證該系統的安全使用，對系統軟硬件進(jìn)行了合理設計，并采取了多種可靠性措施。

1 工作原理
無(wú)人機飛行安控器通過(guò)控制舵機離合器供電線(xiàn)路的通斷達到安全控制的目的。首先給安控器裝訂一個(gè)安全區域，存入EEPROM。安控器的主控微處理器通過(guò)并行方式與輔助微處理器通信，獲取GPS數據，并計算和判斷無(wú)人機是否在預先裝訂的安全區域以?xún)?。當飛出安全區域時(shí)，安控器向執行電路輸出控制信號斷開(kāi)舵機離合器供電線(xiàn)路，使升降舵處于最大正舵面，無(wú)人機在空氣動(dòng)力的作用下，處于失速狀態(tài)，快速墜毀。
安控器的主控微處理器還可以通過(guò)并行方式與另一輔助微處理器進(jìn)行通信，向其輸出GPS的解算數據，通過(guò)數傳電臺或數據線(xiàn)發(fā)送給地面監控微機。生成無(wú)人機飛行航跡，供領(lǐng)航參考；或者接收地面監控微機發(fā)送的GPS仿真數據，以驗證裝訂的預定區域是否正確。

2 硬件設計
安控器主要由GPS接收機、主控電路、執行電路、加溫電路和數傳電臺組成，如圖1所示。其中，主控電路和執行電路組成主機板，完成安控判斷和決策任務(wù)。

2．1 主控電路
主控電路由3片單片機及其外圍電路組成，實(shí)現與GPS接收機和地面監控微機的同時(shí)通信，以及進(jìn)行浮點(diǎn)運算和判斷處理。
主控單片機采用Atmel公司的AT89C52，2片輔助單片機則采用AT89C4051。它們之間通過(guò)并口進(jìn)行數據交換，其硬件連接如圖2所示。圖中U3只向主控單片機U1傳送GPS數據，所以除數據線(xiàn)外只用到了3根信號線(xiàn)，分別是中斷申請信號線(xiàn)、讀信號及寫(xiě)信號線(xiàn)。U4與Ul的通信是雙向的，所以多了一根數據傳送方向信號線(xiàn)F_WR。具體的數據交換操作見(jiàn)后面的相關(guān)程序片段。
在設計中，主控單片機的串口用于與地面監控微機通信進(jìn)行安控區域的數據裝訂和讀取。一個(gè)輔助單片機的串口與GPS接收機進(jìn)行通信，獲取相關(guān)的GPS信息，包括日期、時(shí)間、經(jīng)緯度、速度、航向和高度等，并轉換成固定格式提供給主控單片機進(jìn)行是否在預定區域的數據計算。另一個(gè)輔助單片機的串口則與地面監控微機或者數傳電臺通信，一方面下傳GPS信息及解算結果，另一方面也可以獲取仿真GPS數據從而驗證預定區域裝訂的正確性。
2.2 執行電路
執行電路采取了雙冗余度設計，即構建兩路完全相同的執行電路：通過(guò)主控單片機的P0．4腳和P0．5腳分別控制兩個(gè)光耦，進(jìn)而控制兩個(gè)大功率MOS管IRF9540。只有兩路執行電路都工作才能斷開(kāi)舵機離合器電源，保證了執行安控的可靠性。

3 軟件設計
3．1 并行通信實(shí)現
下面以圖2中的Ul與U4通信為例說(shuō)明并行通信編程實(shí)現方法。U1首先向U4發(fā)中斷請求信號，U4接收到中斷請求信號后進(jìn)入中斷服務(wù)程序，并判斷數據傳送方向。如果是要求發(fā)送數據，則當數據準備好后應答U1并將數據送到數據線(xiàn)上，等待U1取走數據，U1在接收到應答信號后，即從總線(xiàn)上取走數據并回應U4，U4即可準備下一個(gè)數據。下面為用Keil C51語(yǔ)言編寫(xiě)的數據交換程序的相關(guān)片段。

主控單片機Ul中的相關(guān)程序片段：

3．2 安控判定算法
側偏距是指無(wú)人機到矢量航線(xiàn)的垂直距離。設(xa，ya)、(xb，yb)為矢量航線(xiàn)兩端點(diǎn)坐標，(x，y)為無(wú)人機當前坐標，航線(xiàn)方程可表示為Az+By+C=0。其中，A=ya-yb，B=xa-xb，C=xayb-xbya，則側偏距△Z為：

若側偏距為負，則無(wú)人機位于航線(xiàn)的左側；若側偏距為正，則無(wú)人機位于航線(xiàn)右側。
設定一個(gè)由矢量航線(xiàn)按順時(shí)針?lè )较蚪M成的封閉凸邊形，組成判定區域。若無(wú)人機當前位置位于所有矢量航線(xiàn)的右側時(shí)，無(wú)人機在判定區域內；若無(wú)人機當前位置只要位于一條矢量航線(xiàn)左側，則無(wú)人機在判定區域外。
實(shí)際使用的判定區域由二個(gè)凸邊形組成，稱(chēng)為“安全區域”，如圖3所示。其中，內凸邊形稱(chēng)為“安控預警線(xiàn)”，外凸邊形稱(chēng)為“安控警戒線(xiàn)”。

3．3 主控單片機程序流程
主控單片機AT89C52主要完成判斷當前位置是否在預先裝訂的安全控制區域內。如果超出預警線(xiàn)，則發(fā)出警告，并繼續判斷是否超出警戒線(xiàn)，在連續十次判斷超出警戒線(xiàn)后則執行安控動(dòng)作。圖4為其主程序流程框圖。

4 實(shí)驗結果
將安控器進(jìn)行動(dòng)態(tài)距離試驗，地面軟件監測結果如圖5所示。圖中的兩個(gè)凸多邊形區域即為裝訂的安全區域。圖中顯示的是安控器在警戒線(xiàn)之外執行安控的結果，此時(shí)舵機離合器電源斷開(kāi)。
在某次無(wú)人機供靶試驗中，因遙控接收機故障出現了無(wú)人機不受控的危險情況，安控系統正確執行了安控，使無(wú)人機成功墜毀于警戒線(xiàn)外圍附近，表明無(wú)人機飛行安控器達到了實(shí)際應用要求。

5 結論
本設計利用單片機多機通信實(shí)現了串口的擴展，可應用于無(wú)人機關(guān)鍵部位的飛行安控器，實(shí)際應用表明，單片機多機通信硬件結構簡(jiǎn)單，編程靈活方便，系統工作可靠。本文所介紹的設計思路對于無(wú)人飛行器的可靠性設計具有較高的參考價(jià)值。