無(wú)人機系統電路設計圖集錦TOP5 —電路圖天天讀（149）

　　TOP1 無(wú)人機遙感控制平臺電路

　　無(wú)人機相比較衛星和載人航空飛機遙感平臺而言，具有成本低、靈活性高的特點(diǎn)。為了滿(mǎn)足科學(xué)遙感實(shí)驗、完成遙感作業(yè)任務(wù)、協(xié)調無(wú)人機電子吊艙中多組件工作、控制遙感影像傳感器姿態(tài)，系統以AT89S52為主控芯片，擴展多路串口及USB接口以實(shí)現系統與外圍設備的通信，同時(shí)設計了相機驅動(dòng)模塊及三自由度步進(jìn)電機驅動(dòng)模塊。通過(guò)無(wú)人機航空遙感實(shí)驗證明該系統能夠滿(mǎn)足遙感實(shí)驗要求。

　　USB接口擴展電路設計

　　USB口擴展由CH375芯片實(shí)現。CH375是USB總線(xiàn)的通用接口芯片。它的主要特點(diǎn)是價(jià)格便宜、接口方便、可靠性高。支持 USB-HOST主機方式和USB-DEVICE／SLAVE設備方式。CH375的USB主機方式支持常用的USB全速設備，外部單片機需要編寫(xiě)固件程序按照相應的USB協(xié)議與USB設備通信。但是對于常用的USB存儲設備，CH375的內置固件可以自動(dòng)處理Mass-Storage海量存儲設備的專(zhuān)用通信協(xié)議，通常情況下，外部單片機不需要編寫(xiě)固件程序．就可以直接讀寫(xiě)USB存儲設備中的數據。CH375和單片機的通信有2種方式：并行方式和串行方式。USB擴展電路原理圖如圖3所示，CH375芯片設置為內置固件模式，使用12 MHz晶體。單片機P0口與CH375的D0～D7相連作為數據總線(xiàn)，譯碼器輸出CH375的相連片選該芯片，單片機A0與CH375的A0相連，可選擇 CH375的地址或是數據輸入與輸出。當A0為高電平是D0～D7的傳輸的是地址，低電平時(shí)傳輸的是數據。P3．6和P3．7分別控制CH375的讀寫(xiě)操作。CH375接單片機輸入端，當有數據通過(guò)USB口輸入時(shí)產(chǎn)生中斷信號，通知單片機進(jìn)行數據處理。當CH375芯片初始化后并成功與主機連通之后，指示燈亮。

　　步進(jìn)電機驅動(dòng)電路

　　穩定云臺控制即為三自由度步進(jìn)電機控制，即控制遙感傳感器的俯仰角、橫滾角和航向角使穩定云臺保持水平（或垂直）狀態(tài)。步進(jìn)電機驅動(dòng)由THB6128芯片實(shí)現，單片機只需輸出步進(jìn)電機運行方向和脈沖信號即可達到控制步進(jìn)電機的目的。

　　THB6128是高細分兩相混合式步進(jìn)電機驅動(dòng)專(zhuān)用芯片，通過(guò)單片機輸出控制信號，即可設計出高性能、多細分的驅動(dòng)電路。其特點(diǎn)為雙全橋 MOSFET驅動(dòng)，低導通電阻Ron=0．55 Ω，最高耐壓36 V，大電流2．2 A（峰值），多種細分可選，最高可達128細分，具有自動(dòng)半流鎖定功能，快衰、慢衰、混合式衰減3種衰減方式可選，內置溫度保護及過(guò)流保護。圖4為航向角步進(jìn)電機驅動(dòng)電路，俯仰角、橫滾角步進(jìn)電機驅動(dòng)與之相同。圖中CP1與U／D分別為單片機給出的驅動(dòng)脈沖與電機運行方向控制信號。M1，M2，M3為電機驅動(dòng)細分數選擇信號輸入，由撥碼開(kāi)關(guān)人為控制。FDT1與VREG1分別為衰減模式選擇電壓與電流控制電壓輸入端。當3．5 V時(shí)為慢衰減模式；當為混合衰減模式；當FDT1《0．8 V時(shí)為快衰減模式。調整VREG1端電壓即可設定步進(jìn)電機驅動(dòng)電流值。

　　CCD／相機驅動(dòng)電路設計

　　CCD／相機驅動(dòng)由單穩態(tài)觸發(fā)器74LS221和光耦合器P521實(shí)現。74LS221既可以下降沿觸發(fā)也可上升沿觸發(fā)，且都可以禁止輸出。其輸出的脈寬通過(guò)內部補償獲得而不受外部電壓和穩定影響，在大多數應用中，脈寬只由外接的時(shí)控元件決定。CCD／相機驅動(dòng)電路如圖5所示。圖示參數的單穩態(tài)觸發(fā)器高電平持續時(shí)間約為33 ms，可根據相機的實(shí)際曝光時(shí)間的需要，改變電路的充電時(shí)間常數RC來(lái)調節穩態(tài)時(shí)間的長(cháng)短。圖中Camera為單片機P3．5口，當其為下降沿時(shí)，觸發(fā)單穩態(tài)觸發(fā)器輸出高電平，此高電平作用于光耦合器P521的二極管端，從而觸發(fā)三極管端導通，進(jìn)而觸發(fā)相機快門(mén)。P521的輸出端串接一個(gè)10kΩ的電阻，防止導通時(shí)電流過(guò)大而損壞相機。

　　數據存儲模塊由AT24C512實(shí)現，單片機P3．0，P3．1口分別與AT24C512的SCL、SDL端口相連，并接入上拉電阻，模擬 I2C總線(xiàn)擴展 64 KB E2PROM數據存儲器。SRAM擴展由IDT6116SA芯片實(shí)現，擴展2 KB用于緩存單片機計算過(guò)程中的臨時(shí)數據。系統輸入電壓為12 V直流電，電源模塊采用7805與7805兩片三端穩壓器串接，降低單片穩壓器兩端的壓降，獲得平穩的+5 V電壓。|

　　通過(guò)實(shí)驗證明本系統可以較好的滿(mǎn)足無(wú)人機航空遙感平臺機載作業(yè)控制的要求，可以協(xié)調電子吊艙的各個(gè)組件工作，控制相機的姿態(tài)，實(shí)時(shí)下傳機載作業(yè)數據，使用的I／O口較少，USB接口的擴展解決了當前許多筆記本電腦不具備COM口的問(wèn)題，在野外實(shí)驗時(shí)亦可及時(shí)的處理作業(yè)系統中的照片信息數據。單片機仍還有較多的資源可以利用，可方便系統的升級，但同時(shí)也受到微處理器數據處理能力的限制。

線(xiàn)下活動(dòng)提醒：【嵌入式應用技術(shù)沙龍】以火爆無(wú)人機為引，深窺嵌入式應用在四軸無(wú)人機電機控制中的技術(shù)要領(lǐng)。

　　無(wú)人機技術(shù)專(zhuān)題：讓你了解最前端設計，詳情請進(jìn)入》》》

　　TOP2 嵌入式無(wú)人機控制系統硬件電路

　　在無(wú)人機飛行控制系統中，飛行控制器是其核心部件，它負責飛行控制系統信號的采集、控制律的解算、飛機的姿態(tài)和速度，以及與地面設備的通訊等工作。隨著(zhù)無(wú)人機越來(lái)越廣泛的應用，它所完成的任務(wù)也越來(lái)越復雜，對無(wú)人機的機動(dòng)性要求也越來(lái)越高，這就要求無(wú)人機的控制核心向高集成度和小型化方向發(fā)展。本文以586-Engine 嵌入式芯片為核心，設計了某型無(wú)人機的飛行控制器?；贏(yíng)MD Elan SC520處理器的微控制模塊，具有高可靠性、結構緊湊以及低功耗等特點(diǎn)，它同時(shí)具有功能強大的調試軟件。586-Engine的主要參數指標如下：

　?。?）CPU為32位AMD Elan SC520，主頻為133MHz;（2）具有高性能的浮點(diǎn)運算單元，支持正弦、正切、對數等復雜運算，非常適合需要復雜運算的應用。（3）配置512KB 的SRAM，512KB的Flash，114字節內部RAM;（4）支持15個(gè)外部中斷。共有7個(gè)定時(shí)器，包括一個(gè)可編程內部定時(shí)器，提供3個(gè)16位內部定時(shí)器和3個(gè)16位GP定時(shí)器，再加上一個(gè)軟件定時(shí)器。這些定時(shí)器支持外部事件的計時(shí)和計數。軟件定時(shí)器提供微秒級的硬件時(shí)間基準。（5）提供32路可編程I/O，2個(gè)UART.共有19路12位A/D輸入，包括11路ADC串行輸入和8路并行ADC，轉換頻率為300kHz；6路D/A輸出，包括2個(gè)串行輸出DAC和4個(gè)輸出并行12位DAC，轉換頻率為200kHz。（6）工作溫度為-40℃~80℃，尺寸為91.4mm&TImes;58.4mm&TImes;7.6mm。

　　飛行控制器硬件設計

　　該型無(wú)人機是為海軍野戰部隊提供通訊中繼用途的中型輪式無(wú)人機，其飛行控制器是一個(gè)單獨裝箱的小型航空機載電子設備，由DC/DC直流電源變換板、計算機主機板、模擬量通道板、開(kāi)關(guān)量通道板和舵機控制板組成，全部模板通過(guò)母板上的總線(xiàn)方式連接，以減小尺寸，提高集成度。

　　該飛行控制器需要與GPS、磁航向計和無(wú)線(xiàn)電高度表等進(jìn)行通訊，共需5個(gè)串口。而586-Engine主板只提供2個(gè)串口，分別供地面檢測和測控電臺使用，因此需要進(jìn)行串口擴展。串口擴展電路如圖3所示。

　　串口擴展電路中采用TL16C754四通道UART并-串轉換器件，將8位并行數據轉換成4路串行輸出，外加MAX202和MAX489電平轉換芯片，擴展了2個(gè)RS232串口和2個(gè)RS422串口，可滿(mǎn)足飛行控制器的硬件需求。

　　D/A轉換硬件電路設計

　　此型無(wú)人機采用模擬舵機，共需6路D/A通道產(chǎn)生PWM信號來(lái)驅動(dòng)舵機。586-Engine主板總共提供8路D/A，其中4路12位并行 D /A（DA7625）分別控制升降舵機、左右副翼舵機和方向舵機，2路12位串行D/A（LTC1446）控制前輪舵機和油門(mén)舵機。由于DA7625的輸出電壓范圍為0~2.5V，LTC1446輸出電壓范圍為0~4.096V，而舵機工作電壓為-10~10V，因此需要對信號進(jìn)行放大和電平平移。D/A 電平平移電路如圖所示。

　　由圖可知，D/A電平轉換原理是在運放輸入端采用加法電路，將輸入信號與基準電平比例相加，得到適合采樣的電壓范圍。關(guān)于A(yíng)/D采集，586- Engine主板上自帶的19路12位的A/D接口完全滿(mǎn)足飛控系統通道數和轉換精度的要求，這些A/D接口分別采集氣壓高度表的數據，無(wú)人機機載電壓、發(fā)動(dòng)機轉速和溫度、油門(mén)開(kāi)度等。這些信號發(fā)往地面測控計算機，為操作人員對無(wú)人機工作狀態(tài)進(jìn)行監控提供了基礎。關(guān)于I/O控制，586- Engine主板上提供了32個(gè)16位可編程數字I/O口，用于采集發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)信號、傘艙打開(kāi)信號等，并輸出開(kāi)關(guān)量信號控制其它設備，控制無(wú)人機起飛與回收過(guò)程。

　　電源模塊硬件電路設計

　　飛行控制器的電源模塊電路給飛行控制器提供干凈穩定的供電電壓，用來(lái)保證飛行控制器正常工作。電源模塊電路的設計好壞直接影響飛行控制器運行的穩定性和可靠性。該型無(wú)人機由于對尺寸有一定的要求，同時(shí)考慮到可靠性與成本，因此在設計時(shí)選用了成熟的標準模塊電源，外接少量器件即可工作。飛行控制器供電模塊電路如圖5所示。

　　其中，采用24T05D12模塊電源作為供電電路的主芯片，提供的功率為30W，輸入電壓范圍為18V~36V，具有三路電源輸出：+5V 和±12V，為機載傳感器和舵機進(jìn)行供電。嵌入式芯片的使用，減小了飛行控制器的體積與重量，實(shí)現了飛行控制器小型化、高集成度的設計目標；自行設計的串口擴展電路、舵機控制板等降低了研制成本，滿(mǎn)足了項目需求方的要求?？梢灶A見(jiàn)，586-Engine特有的功能以及較高的性?xún)r(jià)比將在無(wú)人機飛行控制領(lǐng)域得到廣泛的應用。

　　TOP3 UAV電源管理系統電路

　　由于在民用及國防等諸多領(lǐng)域中的廣泛應用， 空中機器人技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越被人們所重視， 并吸引了各國專(zhuān)家學(xué)者的注意。小型旋翼機器人是以模型直升機為載體， 裝備上傳感器單元， 控制單元和伺服機構等裝置以實(shí)現自主飛行。而為了提高飛機的安全性， 需要設計一套設備監測系統， 實(shí)時(shí)的監測飛機的姿態(tài)信息， 機載設備的狀況以及電源的情況等。

　　該平臺所使用的電源是兩節鋰電池串聯(lián)組成的電池組， 利用鋰離子電池的充放電特性， 設計了一套以mega16l 為核心的充放電管理系統。鋰電池具有體積小、能量密度高、無(wú)記憶效應、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)， 與鎳鎘電池、鎳氫電池不太一樣的是必須考慮充電、放電時(shí)的安全性，以防止特性劣化。因此在系統運行過(guò)程中， 為了保護鋰電池的安全， 設計了一套欠壓保護電路， 以防止電源管理系統因過(guò)用而發(fā)生電池特性和耐久性特性劣化。

　　電源管理系統總體框架

　　無(wú)人機電源管理系統是飛機實(shí)現自主飛行的重要組成部分， 其大致框架如圖1 所示。在該系統中， 利用AXI 公司生產(chǎn)的2212/ 34 型號發(fā)電機將動(dòng)能轉換為220V 交流電， 再經(jīng)過(guò)整流穩壓后輸出11.6V 的直流電壓， 可由該輸出電壓為兩節鋰電池充電。電源管理系統的控制器是meg a161單片機， 該控制器通過(guò)檢測兩節鋰電池的電壓大小從而控制繼電器開(kāi)關(guān)來(lái)對電池進(jìn)行充放電管理。

　　圖1 電源管理系統框架

　　控制器采集到電源系統中的信息后， 通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸設備將該數據實(shí)時(shí)傳輸給地面。地面監控平臺還可以發(fā)送一些指令給mega16l， 通過(guò)控制繼電器開(kāi)關(guān)來(lái)控制電池充放電， 從而實(shí)現監測和控制飛機的目的。機上電源模塊由兩節英特曼電池有限公司生產(chǎn)的鋰電池組成， 電池組電量充足時(shí)電壓為8？？ 4V.電池的荷電量與整個(gè)供電系統的可靠性密切相關(guān)， 電池剩余電量越多， 系統的可靠性越高， 因此飛行時(shí)能實(shí)時(shí)獲得電池的剩余電量， 這將大大提高飛機的可靠性。

　　電源監控系統的實(shí)現

　　直升機能順利完成飛行任務(wù)， 充足的電源供應不可或缺。

　　由鋰電池的特性可知， 在過(guò)度放電的情況下， 電解液因分解而導致電池特性劣化并造成充電次數降低。因此為了保護電池的安全， 電源系統在給控制系統供電前要經(jīng)過(guò)欠壓保護模塊和穩壓模塊。為了預測電源系統中剩余的電量， 這里采用檢測電源系統電壓的方法， 在測得系統的電源電壓后， 查找由放電曲線(xiàn)建立的數據庫， 就能估計出電源系統中所剩余的電量。

　　單片機所需要的電源電壓是2. 7 ~ 5.5V， 因此可為meg a16l 設計外部基準電壓為2.5V， 該基準穩壓電路如圖2所示。所以系統要檢測電池的電壓， 需要將電池用電阻進(jìn)行分壓且最大分得的電壓值不能超過(guò)2.5V.控制器測得的電壓值乘上電壓分壓縮小的倍數后， 就能得到電源系統中的實(shí)時(shí)電壓。時(shí)刻監測鋰電池的用電情況， 防止電池過(guò)用現象出現， 就能達到有效使用電池容量和延長(cháng)壽命的目的。

　　圖2 基準電壓電路

　　直流無(wú)刷電機電路

　　無(wú)刷直流電機是由電動(dòng)機主體和驅動(dòng)器組成， 是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。直流無(wú)刷電機與一般直流電機具有相同的工作原理和應用特性， 而其組成是不一樣的， 除了電機本身外， 前者還多一個(gè)換向電路， 直流無(wú)刷電動(dòng)機的電機本身是機電能量轉換部分， 它除了電機電樞、永磁勵磁兩部分外， 還帶有傳感器。該發(fā)電機的部分AC-DC 電路如圖3 所示。

　　圖3 無(wú)刷電機AC-DC 電路

　　充電電路

　　鋰離子電池的充電特性和鎳鎘、鎳氫電池的充電特性有所不同， 鋰離子電池在充電時(shí)， 電池電壓緩慢上升， 充電電流逐漸減小， 當電壓達到4.2V 左右時(shí)， 電壓基本不變， 充電電流繼續減小。因此對于改型充電器可先用先恒流后恒壓充電方式進(jìn)行充電， 具體充電電路如圖4 所示。該電路選用LM2575ADJ 組成斬波式開(kāi)關(guān)穩壓器， 最大充電電流為1A.

　　圖4 高效開(kāi)關(guān)型恒流/ 恒壓充電器部分電路

　　該電路工作原理如下： 當電池接入充電器后， 該電路輸出恒定電流， 對電池充電。該充電器的恒流控制部分由雙運放LM358 的一半、增益設定電阻R3 和R4 、電流取樣電阻R5 和1. 23V 反饋基準電壓源組成。剛接入電池后， 運放LM358 輸出低電平， 開(kāi)關(guān)穩壓器LM2575-ADJ 輸出電壓高， 電池開(kāi)始充電。當充電電流上升到1A 時(shí)， 取樣電阻R5 （50m 歐） 兩端壓降達到50mV， 該電壓經(jīng)過(guò)增益為25 的運放放大后， 輸出1.23V 電壓， 該電壓加到LM2575 的反饋端， 穩定反饋電路。

　　當電池電壓達到 8.4V 后， LM3420 開(kāi)始控制LM2575ADJ 的反饋腳。LM3420 使充電器轉入到恒壓充電過(guò)程， 電池兩端電壓穩定在8？？ 4V.R6 、R7 和C3 組成補償網(wǎng)絡(luò )， 保證充電器在恒流/ 恒壓狀態(tài)下穩定工作。若輸入電源電壓中斷， 二極管D2 和運放LM358 中的PNP 輸入級反向偏置， 從而使電池和充電電路隔離， 保證電池不會(huì )通過(guò)充電電路放電。當充電轉入恒壓充電狀態(tài)時(shí)， 二極管D3 反向偏置， 因此運放中不會(huì )產(chǎn)生灌電流。

　　TOP4 電源欠壓保護電路

　　電源欠壓保護由鋰電池的電池放電特性易知， 當電池處于3.5V 時(shí)， 此時(shí)電池電量即將用完， 應及時(shí)給電池充電， 否則電池電壓將急劇下降直至電池損壞。于是設計了一套欠壓保護電路如圖5 所示， 利用電阻分壓所得和由TL431 設計的基準電壓比較， 將比較結果送人LM324 放大電路進(jìn)而觸發(fā)由三極管構成的開(kāi)關(guān)系統， 從而控制負載回路的通阻。試驗證明， 當系統電壓達到臨界危險電壓7V 時(shí)， 系統的輸出電流僅為4mA， 從而防止了系統鋰電池過(guò)度放電現象的產(chǎn)生。

　　圖5 欠壓保護電路

　　由于鋰離子電池能量密度高， 因此難以確保電池的安全性。在過(guò)度充電狀態(tài)下， 電池溫度上升后能量將過(guò)剩， 于是電解液分解而產(chǎn)生氣體， 因內壓上升而發(fā)生自燃或破裂的危險；反之， 在過(guò)度放電狀態(tài)下， 電解液因分解導致電池特性及耐久性劣化， 從而降低可充電次數。該充電電路和本管理系統能有效的防治鋰電池的過(guò)充和過(guò)用， 從而確保了電池的安全， 提高鋰電池的使用壽命。

　　本文設計了一套UAV 電源管理系統， 該系統具有自動(dòng)控制充放電管理， 實(shí)時(shí)監測電池電壓等功能。該系統已經(jīng)經(jīng)過(guò)調試和試驗驗證了其可行性， 但是為了保證飛機安全， 還要做更多的試驗以保證無(wú)人機自主飛行的安全和穩定。除此之外， 高低頻濾波， 電池電量預測等也是重要的方向， 需要深入的研究?，F今， 鋰電池的使用范圍越來(lái)越廣， 其價(jià)格也相對適中，如果掌握先進(jìn)的科學(xué)的使用方法， 讓鋰電池發(fā)揮應有的最大效用， 將會(huì )節省大量的資源和財富。

　　小型無(wú)人機飛控系統設計詳解

　　小型無(wú)人機在現代軍事和民用領(lǐng)域的應用已越來(lái)越廣泛。在經(jīng)歷了早期的遙控飛行后，目前其導航控制方式已經(jīng)發(fā)展為自主飛行和智能飛行。導航方式的改變對飛行控制計算機的精度提出了更高的要求；隨著(zhù)小型無(wú)人機執行任務(wù)復雜程度的增加，對飛控計算機運算速度的要求也更高；而小型化的要求對飛控計算機的功耗和體積也提出了很高的要求。高精度不僅要求計算機的控制精度高，而且要求能夠運行復雜的控制算法，小型化則要求無(wú)人機的體積小，機動(dòng)性好，進(jìn)而要求控制計算機的體積越小越好。

　　在眾多處理器芯片中，最適合小型飛控計算機CPU的芯片當屬TI公司的TMS320LF2407，其運算速度以及眾多的外圍接口電路很適合用來(lái)完成對小型無(wú)人機的實(shí)時(shí)控制功能。它采用哈佛結構、多級流水線(xiàn)操作，對數據和指令同時(shí)進(jìn)行讀取，片內自帶資源包括16路10位A／D轉換器且帶自動(dòng)排序功能，保證最多16路有轉換在同一轉換期間進(jìn)行，而不會(huì )增加CPU的開(kāi)銷(xiāo)；40路可單獨編程或復用的通用輸入／輸出通道；5個(gè)外部中斷；集成的串行通信接口（SCI），可使其具備與系統內其他控制器進(jìn)行異步（RS 485）通信的能力；16位同步串行外圍接口（SPI）能方便地用來(lái)與其他的外圍設備通信；還提供看門(mén)狗定時(shí)器模塊（WDT）和CAN通信模塊。

　　飛控系統組成模塊

　　飛控系統實(shí)時(shí)采集各傳感器測量的飛行狀態(tài)數據、接收無(wú)線(xiàn)電測控終端傳輸的由地面測控站上行信道送來(lái)的控制命令及數據，經(jīng)計算處理，輸出控制指令給執行機構，實(shí)現對無(wú)人機中各種飛行模態(tài)的控制和對任務(wù)設備的管理與控制；同時(shí)將無(wú)人機的狀態(tài)數據及發(fā)動(dòng)機、機載電源系統、任務(wù)設備的工作狀態(tài)參數實(shí)時(shí)傳送給機載無(wú)線(xiàn)電數據終端，經(jīng)無(wú)線(xiàn)電下行信道發(fā)送回地面測控站。按照功能劃分，該飛控系統的硬件包括：主控制模塊、信號調理及接口模塊、數據采集模塊以及舵機驅動(dòng)模塊等。具體的硬件構成原理如圖1所示。

　　模塊功能

　　各個(gè)功能模塊組合在一起，構成飛行控制系統的核心，而主控制模塊是飛控系統核心，它與信號調理模塊、接口模塊和舵機驅動(dòng)模塊相組合，在只需要修改軟件和簡(jiǎn)單改動(dòng)外圍電路的基礎上可以滿(mǎn)足一系列小型無(wú)人機的飛行控制和飛行管理功能要求，從而實(shí)現一次開(kāi)發(fā)，多型號使用，降低系統開(kāi)發(fā)成本的目的。系統主要完成如下功能：

　?。?）完成多路模擬信號的高精度采集，包括陀螺信號、航向信號、舵偏角信號、發(fā)動(dòng)機轉速、缸溫信號、動(dòng)靜壓傳感器信號、電源電壓信號等。由于CPU自帶A／D的精度和通道數有限，所以使用了另外的數據采集電路，其片選和控制信號是通過(guò)EPLD中譯碼電路產(chǎn)生的。

　?。?）輸出開(kāi)關(guān)量信號、模擬信號和PWM脈沖信號等能適應不同執行機構（如方向舵機、副翼舵機、升降舵機、氣道和風(fēng)門(mén)舵機等）的控制要求。

　?。?）利用多個(gè)通信信道，分別實(shí)現與機載數據終端、GPS信號、數字量傳感器以及相關(guān)任務(wù)設備的通信。由于CPU自身的SCI通道配置的串口不能滿(mǎn)足系統要求，設計中使用多串口擴展芯片28C94來(lái)擴展8個(gè)串口。

　　系統軟件設計

　　該系統的軟件設計分為2部分，即邏輯電路芯片EPLD譯碼電路的程序設計和飛控系統的應用程序設計。

　　邏輯電路程序設計

　　EPLD 用來(lái)構成數字邏輯控制電路，完成譯碼和隔離以及為A／D，D／A，28C94提供片選信號和讀／寫(xiě)控制信號的功能。該軟件的設計采用原理圖輸入和 VERILOG HDL語(yǔ)言編程的混合設計方式，遵循設計輸入→設計實(shí)現→設計校驗→器件編程的流程。系統使用了兩片ispLSI1048芯片，分別用來(lái)實(shí)現對 A／D，D／A的控制和對串口擴展芯片28C94的控制。

　　系統應用程序設計

　　由于 C語(yǔ)言不但能夠編寫(xiě)應用程序、系統程序，還能像匯編語(yǔ)言一樣直接對計算機硬件進(jìn)行控制，編寫(xiě)的程序可移植性強。由于以DSP為核心設計的系統中涉及到大量對外設端口的操作，以及考慮后續程序移植的工作，所以飛控系統的應用程序選用BC 3．1來(lái)設計，分別實(shí)現飛行控制和飛行管理功能。

　　軟件按照功能劃分為4個(gè)模塊：時(shí)間管理模塊、數據采集與處理模塊、通信模塊、控制律解算模塊。通過(guò)時(shí)間管理模塊在毫秒級時(shí)間內對無(wú)人機進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；數據采集模塊采集無(wú)人機的飛行狀態(tài)、姿態(tài)參數以及飛行參數、飛行狀態(tài)及飛行參數進(jìn)行遙測編碼并通過(guò)串行接口傳送至機載數據終端，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據信道發(fā)送到地面控制站進(jìn)行飛行監控；姿態(tài)參數通過(guò)軟件內部接口送控制律解算模塊進(jìn)行解算，并將結果通過(guò)D／A通道送機載伺服系統，控制舵機運行，達到調整、飛機飛行姿態(tài)的目的；通信模塊完成飛控計算機與其他機載外設之間的數據交換功能。

　　利用高速DSP控制芯片在控制律計算和數據處理方面的優(yōu)勢及其豐富的外部資源，配合大規?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD以及串行接口擴展芯片28C94設計小型機載飛控計算機，以其為核心設計的小型無(wú)人機飛控系統具有功能全，體積小，重量輕，功耗低的特點(diǎn)，很好地滿(mǎn)足了小型無(wú)人機對飛控計算機高精度、小型化、低成本的要求。該設計已成功應用于某驗證無(wú)人機系統。

　　TOP5 無(wú)人機技術(shù)各模塊詳解與技術(shù)分析

　　如今無(wú)人機成為了展會(huì )最大的熱點(diǎn)之一，大疆（DJI）、Parrot、3D RoboTIcs、AirDog等知名無(wú)人機公司都有展示他們的最新產(chǎn)品。甚至是英特爾、高通的展位上展出了通信功能強大、能夠自動(dòng)避開(kāi)障礙物的飛行器。無(wú)人機在2015年已經(jīng)迅速地成為現象級的熱門(mén)產(chǎn)品，甚至我們之前都沒(méi)有來(lái)得及細細研究它。與固定翼無(wú)人機相比，多軸飛行器的飛行更加穩定，能在空中懸停。主機的硬件結構及標準的遙控器的結構圖如下圖。

　　四軸飛行器系統解析圖

　　遙控器系統解析圖

　　以上只是標準產(chǎn)品的解剖圖，有些更加高級的如針對航模發(fā)燒友和航拍用戶(hù)們的無(wú)人機系統，還會(huì )要求有云臺、攝像頭、視頻傳輸系統以及視頻接收等更多模塊。

　　飛控的大腦：微控制器

　　在四軸飛行器的飛控主板上，需要用到的芯片并不多。目前的玩具級飛行器還只是簡(jiǎn)單地在空中飛行或停留，只要能夠接收到遙控器發(fā)送過(guò)來(lái)的指令，控制四個(gè)馬達帶動(dòng)槳翼，基本上就可以實(shí)現飛行或懸停的功能。意法半導體高級市場(chǎng)工程師介紹，無(wú)人機/多軸飛行器主要部件包括飛行控制以及遙控器兩部分。其中飛行控制包括電調/馬達控制、飛機姿態(tài)控制以及云臺控制等。目前主流的電調控制方式主要分成BLDC方波控制以及FOC正弦波控制。

　　高通和英特爾推的飛控主芯片

　　CES上我們看到了高通和英特爾展示了功能更為豐富的多軸飛行器，他們采用了比微控制器（MCU）更為強大的CPU或是ARM Cortex-A系列處理器作為飛控主芯片。例如，高通CES上展示的Snapdragon Cargo無(wú)人機是基于高通Snapdragon芯片開(kāi)發(fā)出來(lái)的飛行控制器，它有無(wú)線(xiàn)通信、傳感器集成和空間定位等功能。Intel CEO Brian Krzanich也親自在CES上演示了他們的無(wú)人機。這款無(wú)人機采用了“RealSense”技術(shù)，能夠建起3D地圖和感知周?chē)h(huán)境，它可以像一只蝙蝠一樣飛行，能主動(dòng)避免障礙物。英特爾的無(wú)人機是與一家德國工業(yè)無(wú)人機廠(chǎng)商Ascending Technologies合作開(kāi)發(fā)，內置了高達6個(gè)英特爾的“RealSense”3D攝像頭，以及采用了四核的英特爾凌動(dòng)（Atom）處理器的PCI- express定制卡，來(lái)處理距離遠近與傳感器的實(shí)時(shí)信息，以及如何避免近距離的障礙物。這兩家公司在CES展示如此強大功能的無(wú)人機，一是看好無(wú)人機的市場(chǎng)，二是美國即將推出相關(guān)法規，對無(wú)人機的飛行將有嚴格的管控。

　　Paul Neil說(shuō)：xCORE多核微控制器擁有數量在8到32個(gè)之間的、頻率高達500MHz 的32位RISC內核。xCORE 器件也帶有Hardware Response I/O接口，它們可提供卓越的硬件實(shí)時(shí)I/O性能，同時(shí)伴隨很低的延遲。“這種多核解決方案支持完全獨立地執行系統控制與通信任務(wù)，不產(chǎn)生任何實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）開(kāi)銷(xiāo)。xCORE微控制器的硬件實(shí)時(shí)性能使得我們的客戶(hù)能夠實(shí)現非常精確的控制算法，同時(shí)在系統內無(wú)抖動(dòng)。xCORE多核微控制器的這些優(yōu)點(diǎn)，正是吸引諸如無(wú)人機/多軸飛行器這樣的高可靠性、高實(shí)時(shí)性應用用戶(hù)的關(guān)鍵之處。”多軸飛行器需要用到四至六顆無(wú)刷電機（馬達），用來(lái)驅動(dòng)無(wú)人機的旋翼。而馬達驅動(dòng)控制器就是用來(lái)控制無(wú)人機的速度與方向。原則上一顆馬達需要配置一顆8位MCU來(lái)做控制，但也有一顆MCU控制多個(gè)BLDC馬達的方案。

　　多軸無(wú)人機的EMS/傳感器

　　于用 MEMS傳感器測量角度變化，一般要選擇組合傳感器，既不能單純依賴(lài)加速度計，也不能單純依賴(lài)陀螺儀，這是因為每種傳感器都有一定的局限性。比如說(shuō)陀螺儀輸出的是角速度，要通過(guò)積分才能獲得角度，但是即使在零輸入狀態(tài)時(shí)，陀螺依然是有輸出的，它的輸出是白噪聲和慢變隨機函數的疊加，受此影響，在積分的過(guò)程中，必然會(huì )引進(jìn)累計誤差，積分時(shí)間越長(cháng)，誤差就越大。這就需要加速度計來(lái)校正陀螺儀，因為加速度計可以利用力的分解原理，通過(guò)重力加速度在不同軸向上的分量來(lái)判斷傾角。由于沒(méi)有積分誤差，所以加速度計在相對靜止的條件下可以校正陀螺儀的誤差。但在運動(dòng)狀態(tài)下，加速度計輸出的可信度就要下降，因為它測量的是重力和外力的合力。較常見(jiàn)的算法就是利用互補濾波，結合加速度計和陀螺儀的輸出來(lái)算出角度變化。

　　ADI亞太區微機電產(chǎn)品市場(chǎng)和應用經(jīng)理表示，ADI產(chǎn)品主要的優(yōu)勢就是在各種惡劣條件下，均可獲得高精度的輸出。以陀螺儀為例，它的理想輸出是只響應角速度變化，但實(shí)際上受設計和工藝的限制，陀螺對加速度也是敏感的，就是我們在陀螺儀數據手冊上常見(jiàn)的deg/sec /g的指標。對于多軸飛行器的應用來(lái)說(shuō)，這個(gè)指標尤為重要，因為飛行器中的馬達一般會(huì )帶來(lái)較強烈的振動(dòng)，一旦減震控制不好，就會(huì )在飛行過(guò)程中產(chǎn)生很大的加速度，那勢必會(huì )帶來(lái)陀螺輸出的變化，進(jìn)而引起角度變化，馬達就會(huì )誤動(dòng)作，最后給終端用戶(hù)的直觀(guān)感覺(jué)就是飛行器并不平穩。

　　隨著(zhù)無(wú)人機的功能不斷增加，GPS傳感器、紅外傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器越來(lái)越多地被用到無(wú)人機上。方案商已經(jīng)在利用紅外和超聲波傳感器來(lái)開(kāi)發(fā)出可自動(dòng)避撞的無(wú)人機，以滿(mǎn)足將來(lái)相關(guān)法規的要求。集成了GPS傳感器的無(wú)人機則可以實(shí)現一鍵返航功能，防止無(wú)人機飛行丟失。而內置了GPS功能的無(wú)人機，可以在軟件中設置接近機場(chǎng)或航空限制的敏感地點(diǎn)，不讓飛機起飛。