基于SmartFusion的無(wú)人機飛行控制系統設計

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)?；谝陨峡紤]，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A(yíng)RM 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。