基于A(yíng)RM的無(wú)人機飛行控制系統的研究實(shí)現

一、引言

無(wú)人機飛行控制系統是一種具有高性能的自主導航、自動(dòng)飛行控制、任務(wù)管理的綜合系統，需要進(jìn)行大量復雜的數據處理與數學(xué)運算。飛控計算機是飛行控制系統的核心子系統，隨著(zhù)航空航 天技術(shù)的發(fā)展，飛控計算機向著(zhù)高精度和小型化方向發(fā)展。高精度要求無(wú)人機的制導控制精度高、穩定性好，能夠適應復雜的外界環(huán)境，致使控制算法比較復雜，計 算速度快、精度高。小型化則對控制控制系統的重量和體積提出了更高的要求，要求計算機的性能越高越好，體積越小越好。性能指標和體積限制迫切需要研制新型 的飛控計算機。

二、飛控計算機與外圍的接口設計要求

基 于ARM的飛行控制計算機的設計，關(guān)鍵在于系統整體方案設計。接口設計是一個(gè)重要環(huán)節，其質(zhì)量將直接影響系統的性能，信號輸入輸出時(shí)要考慮抗干擾性，所設 計的整體方案要易于實(shí)現，對不同型號的無(wú)人機要有一定的適應性。對于要求相近的型號，應該以修改控制軟件為主，以少改動(dòng)或不改動(dòng)硬件設計為好，這些要求都 要在方案設計的各個(gè)環(huán)節中考慮。

首先要對無(wú)人機的飛控/導航任務(wù)和實(shí)現目標作需求分析。根據飛行要求和控制對象的復雜程度，選擇控制周期；按照控制周期內控制計算量來(lái)確定計算的類(lèi)型和運算速度，并結合外部單元確定接口方案，以及對抗干擾因素的考慮，可確定整體的通訊協(xié)議和接口形式。

在 無(wú)人機的飛行過(guò)程中，為了實(shí)現一定的飛行任務(wù)，需要對其飛行姿態(tài)進(jìn)行控制，引導飛機按照一定的航線(xiàn)準確飛行。為了進(jìn)行姿態(tài)控制，就需要獲得飛行姿態(tài)的實(shí)時(shí) 參數信息以及遙控遙測參數。有了這些信息參數，經(jīng)過(guò)計算機的控制算法計算，實(shí)時(shí)輸出控制糧到執行機構，從而實(shí)現控制/導航目的，其構成示意圖見(jiàn)圖1。

垂 直陀螺、三軸角速率陀螺輸出的是模擬信號，因此飛控計算機必須具有多路模擬信號的高精度采集能力。而磁航向傳感器、高度傳感器以及與GPS和遙控遙測的等 外圍單元的數據交換則采用了RS-485、RS-232通訊協(xié)議，因此飛控計算機要具有多串口的通行能力。同時(shí)系統要求一系列的電平輸出/輸入接口、舵機 接

1、ARM的選擇

從計算精度、計算速度、控制性能要求、功耗及上述接口等方面考慮， 采用ATMEL公司的AT91M55800A芯片作為CPU。該芯片集成了ARM7TDMI核、嵌入式ICE接口、存儲器以及外圍。

AT91M55800A具有先進(jìn)系統總線(xiàn)(ASB)和先進(jìn)外圍總線(xiàn)(APB)兩條主要總線(xiàn)，ASB接口由存儲控制寄存器控制用于實(shí)現最高的性能。ARM7TDMI核通過(guò)ASB接口實(shí)現與片內32位存儲器、外部總線(xiàn)接口(EBI)以及AMBA橋的連接。AMBA橋用來(lái)驅動(dòng)APB；APB用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)片內外圍，優(yōu)化系統功耗AT91M55800A通過(guò)完全可編程的外部總線(xiàn)接口直接連到片外存儲器，使讀或寫(xiě)操作最快可達一個(gè)時(shí)鐘周期。8優(yōu)先級向量中斷控制器和片內外圍數據控制器則顯著(zhù)提高了器件的實(shí)時(shí)性能.

AT91M55800A主要硬件資源極其關(guān)鍵特性如下：

（1） 芯片提供了豐富的片上資源。有片上A/D和D/A轉換器，則系統無(wú)需外接A/D和D/A芯片，提高了系統的可靠性，減少了系統的復雜性。AT91M 55800A有片內看門(mén)狗電路，可以監測程序的意外失控。AT91M55800A芯片提供SPI總線(xiàn)，便于與擴展外設進(jìn)行連接。

（2）集成了ARM7TDMI ARM Thumb處理核——低功耗高性能的32位RISC(Reduced Instruction Set Computer)處理器。指令功能強，采用能提供0.9MIPS/MHz的三級流水線(xiàn)和馮·諾依曼結構；具有能產(chǎn)生64位結果的增強型乘法器；尋址能力 強，有ARM指令集和Thumb指令集；嵌入式ICE，先進(jìn)的軟件開(kāi)發(fā)和調

試環(huán)境。

（3）8KB片內SRAM.—32位數據總線(xiàn)寬度，單時(shí)鐘周期訪(fǎng)問(wèn)。

（4）完全可編程的外部總線(xiàn)接口（EBI）—最大可尋址空間為64MB,多達8個(gè)片選線(xiàn)，軟件可編程的8 位或16位外部數據總線(xiàn)。

（5）8優(yōu)先級、可單獨屏蔽的向量中斷控制器(AIC)—7個(gè)外部中斷，包括一個(gè)高優(yōu)先級、低延遲的中斷請求。

（6）58個(gè)可編程I/O口線(xiàn)，由PIOA和PIOB控制。

（7）6通道16位定時(shí)器/計數器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)，系統定時(shí)器，看門(mén)狗定時(shí)器。

（8）主從式SPI接口—8~16位可編程數據長(cháng)度，4個(gè)外部從芯片選擇。

（9）采用片內主振蕩器和PLL倍頻的時(shí)鐘產(chǎn)生器及片內32K振蕩器的實(shí)實(shí)時(shí)鐘—3MHz~33MHz頻率范圍。

（10）具有3個(gè)USART—每個(gè)USART有兩個(gè)外圍數據控制器(PDC)通道。

（11）8通道10位ADC和2通道10位DAC。

（12）先進(jìn)電源管理控制器(APMC)—正常、等待、慢速、待機和掉電方式。

（13）針對所有數字引腳的JEEE 1149.1JTAG邊界掃描。

AT91M55800A上述功能和特點(diǎn)，使得復雜的控制算法可以在規定的時(shí)間內完成，且滿(mǎn)足了精度的要求。

2、存儲器的擴展

由 于A(yíng)T91M55800A內部存儲器較小，所以程序和數據大多只能放在片外，因此要進(jìn)行存儲器擴展。AT91M55800A的內核采用了馮·諾依曼結構。 存儲器接口可在使用存儲器最少情況下實(shí)現其潛能。速度關(guān)鍵的控制信號采用流水作業(yè)，處理速度極快。所選RAM的速度必須小于RAM的讀寫(xiě)周期。在系統工作 時(shí)，程序要放在Flash中，在系統上電時(shí)由啟動(dòng)代碼程序搬移到片外RAM中運行，因此選擇ROM時(shí)也要考慮存儲容量和速度。根據以上特點(diǎn)選擇了一片 12ns的IS61LV51216RAM組成存儲系統的RAM，一片訪(fǎng)問(wèn)周期90ns AT49BV1604A-90TI (Flash Memory)作為程序存儲空間。此外通過(guò)SPI總線(xiàn)擴展一個(gè)X5045（NOVRAM），NOVRAM可在斷電后保存裝定的航跡與任務(wù)數據。

3、模擬信號的接收

垂 直陀螺、角速率陀螺、電源電壓等輸出的模擬信號首先經(jīng)過(guò)信號調理模塊輸入，片上自帶的8路10位ADC已經(jīng)完全滿(mǎn)足了系統通道數目和精度的要求，不再擴展 其他ADC器件。所采集的飛機姿態(tài)、電網(wǎng)電壓等信號，是飛行控制系統對無(wú)人機工作狀態(tài)進(jìn)行控制和監控的基礎，同時(shí)這些信號經(jīng)過(guò)編碼發(fā)往地面遙測設備，供操縱人員參考。

4、串口通信

機 上傳感器的輸出信號多數都是采用串行標準。遙控指令、遙測數據、GPS數據、高度信號、航向信號、航路裝定、控制參數設置都采用RS-232或者RS- 485接口，而AT91M55800A片內集成的3個(gè)USART不能滿(mǎn)足要求，必須要對串口進(jìn)行擴展。完全采用軟件模擬擴展串口，將加重處理器的負荷，降 低系統的實(shí)時(shí)性。而采用16C554專(zhuān)用串口擴展芯片將增加系統的電路復雜性，增加電路板面積。在綜合考慮各種方案之后，將串口作如下配置：

(1) 串行口0 為遙控通道，與遙控接收機相接，接收上行信道送來(lái)的遙控信息，下傳飛機狀態(tài)參數信息，RS—232標準，波特率9600。

(2) 串行口1：通過(guò)4052 擴展，與高度傳感器和航向傳感器相接。 采用RS—485標準，波特率9600。

(3) 串行口2 與GPS接收機相接，接收GPS數據，采用RS—232標準，波特率9600。

(4) 采用SPI總線(xiàn)接口的USART收發(fā)器件MAX3111擴展了一路串行接口，本串行口的TX通道作為遙測通道，用于發(fā)送飛行姿態(tài)、電源電壓、發(fā)動(dòng)機轉速、 任務(wù)設備工作狀態(tài)等遙測信息；RX通道為雙用途，可以作為裝定自主飛行時(shí)的預設航路用，也可以用來(lái)裝定控制參數。這樣，兼顧了系統的實(shí)時(shí)性和緊湊性

5、頻率信號的輸出

控 制伺服機構常用的是四個(gè)舵機，飛行中要求這四個(gè)舵機可以同時(shí)動(dòng)作，相互之間不能有延遲。而AT91M55800A的6路定時(shí)/計數器正好可以用來(lái)作為輸出 PWM信號的器件，不需要擴展接口芯片。余下的一路定時(shí)器用作μC/OS-II的系統時(shí)鐘，另外一路定時(shí)器用作發(fā)動(dòng)機轉速監測。根據舵機的工作方式和控制 精度的要求，設置工作方式，滿(mǎn)足舵機工作要求。這樣既減少了硬件的擴展又降低了軟件的消耗，提高了精度、大大提高系統效率。

6、數字I/O口輸出

通過(guò)AT91M55800A GI/O由片上PIOA和PIOB控制器輸出開(kāi)關(guān)量，通過(guò)光耦隔離、驅動(dòng)放大進(jìn)行控制任務(wù)設備、回收裝置等設備。

7、復位電路

AT91M55800A 在復位時(shí)，主時(shí)鐘來(lái)自慢速時(shí)鐘(32 768Hz)，并且主時(shí)鐘上的信號必須在NRST信號上升沿之前至少10個(gè)時(shí)鐘周期內保持有效，及復位信號至少保持0.3ms，所擴展的存儲系統復位時(shí)間 均小于0.3ms，因此本系統采用了能提供20ms低脈沖的MAX6315芯片。同時(shí)AT91M55800A具有可編程的看門(mén)狗定時(shí)器。由于系統電源瞬間 欠缺或意外掉電致使程序跑飛或重要數據丟失導致系統無(wú)法工作時(shí)，采用看門(mén)狗定時(shí)器可產(chǎn)生內部復位信號，使復位系統。

四、系統設計中的關(guān)鍵技術(shù)

1、硬件資源的合理利用和端口配置的原則

AT91M55800A 有著(zhù)豐富的硬件資源，能否充分利用和恰當配置這些資源是設計成敗的關(guān)鍵。如果給CPU的負擔過(guò)重,系統有可能難以完成實(shí)時(shí)控制的任務(wù)，如果配置不合理,資 源則不能得到充分利用，而且會(huì )影響系統的實(shí)時(shí)性，增添軟件的復雜性。CPU主要處理4路模擬量輸入、10路開(kāi)關(guān)量輸入、1路頻率量輸入、3路定時(shí)信號輸 入、4路PWM波輸出、8路開(kāi)關(guān)量輸出和4路串行數據接口，根據微控制器的結構特點(diǎn)分別配置，如將模擬量輸入配置在A(yíng)/D部分，開(kāi)關(guān)量輸入和輸出配置在 GPI/O，3路定時(shí)信號輸入、1路頻率量輸入和PWM波配置在定時(shí)/計數器多通道部分，4路串行數據接口通過(guò)適當擴展配置在3個(gè)USART上。在設計中 對端口分配遵循了以下原則，并做了一定的時(shí)間測算；

(1) 首先確定MCU內核的實(shí)現方案，為輸入輸出信號量連接方案的確定開(kāi)創(chuàng )條件；

(2) 優(yōu)先考慮各端口的基本功能，再次考慮端口的第二、第三功能；

(3) 考慮信號匹配與端口的驅動(dòng)能力；

(4) 考慮時(shí)間因素，對ADC、UARST、GPI/O、PWM、SPI等處理子程序進(jìn)行時(shí)間估計與測算，確定CPU的任務(wù)量,保CPU有一定的時(shí)間裕度；

(5) 利用空余的端口做冗余設計，使某些功能的實(shí)現有一定的自由度。

2、系統的抗干擾措施

在無(wú)人機系統性能諸指標中，可靠性是首要考慮的因素。無(wú)人機飛行控制器必須穩定可靠地運行，否則將導致控制出現偏差，嚴重時(shí)將可能造成巨大經(jīng)濟損失或者生命危險。因此在控制器硬件的設計中，要始終貫徹高可靠性、高穩定性這一原則，并為軟件抗干擾措施的實(shí)施打好基礎。

影響控制器可靠安全運行的主要因素有以下幾個(gè)方面：電磁場(chǎng)干擾、供電方式、元器件性能、PCB的布局與走線(xiàn)、機械結構設計等。

針對這些因素，在本系統的硬件設計中采用了如下一些措施：

（1）主控板采用四層的高頻電路板；

（2）采用濾波技術(shù)、去耦電容、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)和接地技術(shù)減小電磁場(chǎng)的干擾；

（3）數字部分和模擬部分獨立供電

（4）盡量選用高集成度、高穩定性、高可靠性的面貼元件；

（5）PCB板上元器件按功能分區、就近布局，45°走線(xiàn)、滿(mǎn)接地；

（6）選擇高可靠性接插件，緊固安裝，屏蔽殼體。

3、整機供電與功耗考慮

無(wú) 人機的動(dòng)力源是能量有限的機載蓄電池，所以能耗問(wèn)題是衡量控制其性能的一項指標。機載蓄電池提供的是±12V的直流電源，對于飛控器來(lái)說(shuō)，需要解決兩個(gè)問(wèn) 題。一是如何進(jìn)行DC/DC轉換既能滿(mǎn)足系統對電源數量及伏值的要求，又使轉換效率足夠高；二是選用什么樣的元器件，既能滿(mǎn)足信號匹配的要求又能使器件功 耗低。

系 統中選用的是高轉換效率的小型PKC2121模塊，可以產(chǎn)生穩定的±12V電壓，為±9V的電源基準提供輸入，5V和9V根據具體需要給模擬電路供 電，5V作為3.3V電源基準REF192GS的輸入電壓，3.3V給飛控計算機供和存儲系統供電。在信號匹配的前提下盡量選用低功耗的CMOS器件，降 低系統總能耗。

五、結束語(yǔ)

經(jīng) 過(guò)初步調試，該硬件平臺各項功能均達到設計目的。為了方便和硬件的聯(lián)調，軟件設計以源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統μC/OS-II為軟件平臺，將系統功能 按照優(yōu)先級循序分為數據采集模塊、控制解算模塊、模態(tài)控制模塊、高度航向讀取模塊、指令接收模塊、 GPS接收模塊、航路控制模塊、遙測發(fā)送模塊、芯片啟動(dòng)部分選用匯編語(yǔ)言，對算法復雜、計算量大的，采用C語(yǔ)言。軟件和硬件分別調試通過(guò)后，可進(jìn)行軟件和 硬件的聯(lián)調，最后形成基于A(yíng)RM的新型飛行控制計算機。

該硬件系統體積小，成本低。設計中采用了模塊化的結構形式，將主控模塊和信號調理模塊及信號輸出模塊分開(kāi)，那么將主控模塊與不同的信號調理模塊和輸出信號的相結合可以實(shí)現設計系統的通用性作為某型號的一系列無(wú)人機的飛控器。隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展 ，ARM將以它特有的優(yōu)越性在軍事和高科技中得到廣泛的應用。

參考文獻：

[1] David Seal. ARM Architecture Reference Manual Second Edition [M]. Pearson Education Limited.

[2] ARM7TDMI (Rev4) Technical Reference Manual[M]. ARM DDI

[3]張明廉.飛行控制系統[M]. 北京:航空工業(yè)出版社, 1993

[4]何衍慶等. 控制系統分析、設計和應用[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社. 2003.1

[5]馬忠梅等. ARM嵌入式處理器結構與應用基礎[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2003