某型無(wú)人機(jī)飛行控制計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)

郭昱津，王道波，路 引

（1.中電集團(tuán)第二十八研究所 江蘇 南京210007；2.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京210016；3.南京航空航天大學(xué) 無(wú)人機(jī)研究院，江蘇 南京210016）

某型無(wú)人機(jī)飛行控制計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)

郭昱津1，王道波2，路 引3

（1.中電集團(tuán)第二十八研究所 江蘇 南京210007；2.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京210016；3.南京航空航天大學(xué) 無(wú)人機(jī)研究院，江蘇 南京210016）

按照某型無(wú)人機(jī)高性能和小型化的要求，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于DSP為處理核心的飛行控制計(jì)算機(jī)硬件。詳細(xì)給出了飛行控制計(jì)算機(jī)硬件的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方法和原理圖，包括：DSP最小系統(tǒng)模塊、模擬量信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、DA輸出模塊、串行通信擴(kuò)展模塊、捷聯(lián)航姿系統(tǒng)模塊、氣壓高度計(jì)模塊、鐵電存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊。該飛行控制計(jì)算機(jī)具有體積小、自主導(dǎo)航能力強(qiáng)的特點(diǎn)，并成功應(yīng)用于某型無(wú)人機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)。

無(wú)人機(jī)；飛行控制計(jì)算機(jī)；硬件設(shè)計(jì)；DSP微處理器

隨著軍事發(fā)展和戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，無(wú)人機(jī)發(fā)展迅速，飛行控制系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)重要的組成部分，飛行控制計(jì)算機(jī)又是飛行控制系統(tǒng)軟件得以運(yùn)行的載體。一般情況下，無(wú)人機(jī)的飛行控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)做到集成體積小，方便安裝在無(wú)人機(jī)的控制艙內(nèi)，重量盡量輕，減少無(wú)人機(jī)的總體重量，提高任務(wù)載荷，CPU可靠性高，功耗低，輸出精度高且穩(wěn)定，F(xiàn)LASH和RAM空間盡量大，能夠滿足無(wú)人機(jī)復(fù)雜控制程序的存儲(chǔ)需求等［1-2］。因此研制一款合適的飛行控制計(jì)算機(jī)具有重要的意義。量大，A/D轉(zhuǎn)換精確快速等優(yōu)點(diǎn)，并具有TI公司所開(kāi)發(fā)的功能強(qiáng)大的CCS軟件平臺(tái)［3］。無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)整流后的電源和機(jī)載蓄電池作為飛行控制計(jì)算機(jī)主電源的輸入，正常工作狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)供電給飛行控制計(jì)算機(jī)，機(jī)載蓄電池在無(wú)人機(jī)啟動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)供電。

2　主要功能模塊設(shè)計(jì)

1　DSP微處理器

飛行控制計(jì)算機(jī)是無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的核心，考慮飛行控制系統(tǒng)的功能和受到無(wú)人機(jī)對(duì)體積和重量等條件約束，所研制的飛行控制計(jì)算機(jī)選用TI公司的高性能處理芯片TMS320F28335作為飛行控制計(jì)算機(jī)的微處理器芯片，該芯片是一款TMS320C28X系列浮點(diǎn)DSP控制器，具有功耗小，成本低，精度高，外設(shè)集成度高，性能高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)

2.1DSP最小系統(tǒng)模塊

保證DSP正常工作所需的最小外圍電路稱為DSP最小系統(tǒng)，包括DSP內(nèi)核、ADC模塊、BOOT啟動(dòng)選擇、I/O供電模塊、電源模塊以及JTAG調(diào)試模塊等。

DSP最小系統(tǒng)的供電系統(tǒng)選用TI公司的TPS767D301雙電源芯片，其中DSP內(nèi)核模塊供電為1.8 V，IO的供電為3.3 V；晶振選用30 MHz，DSP的工作頻率是經(jīng)過(guò)5倍頻放大達(dá)到150 MHz；選用MAX6021A作為ADC的外部參考電壓，產(chǎn)生2.048 V的基準(zhǔn)電壓，使ADC模塊的精度達(dá)到12位；方便系統(tǒng)從串口燒寫(xiě)程序，BOOT啟動(dòng)可以從SCI或者FLASH啟動(dòng)。

2.2模擬量信號(hào)調(diào)理模塊

多路傳感器輸出的開(kāi)關(guān)量、頻率信號(hào)、電壓信號(hào)及電阻信號(hào)是經(jīng)過(guò)模擬量信號(hào)調(diào)理模塊電路進(jìn)行濾波和放大處理，從而調(diào)理成適合計(jì)數(shù)器所需的脈沖的信號(hào)和A/D器件采樣電平的信號(hào)［4］。

模擬量輸出的信號(hào)包括俯仰、滾轉(zhuǎn)、油門(mén)舵機(jī)反饋、縱向舵機(jī)反饋、橫向舵機(jī)反饋、航向舵機(jī)反饋和電源電壓等信號(hào)；由于電壓輸出范圍為-10V～+10V，而DSP內(nèi)部ADC模塊采集模擬量的范圍是0～+3 V，因此需將-10～+10 V電壓轉(zhuǎn)換成0～+3 V。為實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)調(diào)理，設(shè)計(jì)采用通過(guò)加法器進(jìn)行平移和運(yùn)放進(jìn)行衰減，模擬量信號(hào)調(diào)理電路原理如圖1所示。

2.3數(shù)字量輸入/輸出模塊

圖1　模擬量信號(hào)調(diào)理電路原理圖Fig.1　Schematic diagram of the analog signal conditioning circuit

無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的數(shù)字量輸出信號(hào)包括紅外增強(qiáng)器以及誘餌彈等任務(wù)設(shè)備投放信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)/停車(chē)信號(hào)，這些功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由繼電器實(shí)現(xiàn)。繼電器的控制電平為24 V，選用8通道的ULN2803驅(qū)動(dòng)離散數(shù)字量輸出，而ULN2803的輸入電平為5 V，為了電平匹配，使用74HCT245 將DSP的數(shù)字量輸出信號(hào)的3.3 V電平轉(zhuǎn)換為5 V，以驅(qū)動(dòng)ULN2803的輸出。

數(shù)字量輸入信號(hào)的外部輸入電平為5 V，而DSP的IO口為3.3 V電平，為了達(dá)到電平的匹配，選用74LVT245，對(duì)數(shù)字量輸入信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換［5］。所設(shè)計(jì)的數(shù)字量輸入輸出模塊電路如圖2所示。

圖2　數(shù)字量輸入輸出電路原理圖Fig.2　Schematic diagram of the digital input and output circuit

2.4DA輸出模塊

飛控系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)采用模擬量信號(hào)，主要是輸出指令給舵機(jī)，進(jìn)而舵機(jī)的伺服電路驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。飛控系統(tǒng)包括油門(mén)舵機(jī)、縱向舵機(jī)、橫向舵機(jī)和航向舵機(jī)［6］，這些舵機(jī)的控制信號(hào)范圍為-10～+10 V，至少要4路-10～+10 V。考慮精度高，傳輸速度快和功耗低等原則，選用TI公司的DAC7718，它支持輸出電壓范圍為-12～+12 V，雙極性輸出，功耗為14.4 mW/Ch，8通道，誤差為±1LSB，采用SPI總線通訊接口，精度達(dá)到1LSB，設(shè)置時(shí)間為15 μs，12位分辨率，所設(shè)計(jì)的電路如圖3所示。

2.5串行通信擴(kuò)展模塊

飛行控制系統(tǒng)的通訊設(shè)備有GPS模塊、組合導(dǎo)航和無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)等，它的通信接口都為RS232。飛控系統(tǒng)需進(jìn)行半實(shí)物仿真和測(cè)試［7］，但半實(shí)物在回路測(cè)試和仿真的通信接口都為RS422，因此需要2路RS422和3路RS232通信接口。DSP只有3路SCI，采用TL16C754擴(kuò)展四路串口，同時(shí)保證TTL電平和RS422或者RS232電平進(jìn)行匹配，采用SP3232 和MAX3490芯片進(jìn)行全雙工的串行接口轉(zhuǎn)換。

2.6捷聯(lián)航姿系統(tǒng)模塊

捷聯(lián)航姿系統(tǒng)是捷聯(lián)姿態(tài)航向參考系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，它是將慣性器件直接固定連接在載體上，載體坐標(biāo)系相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的角速度和加速度，分別利用陀螺儀和加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。航向、滾轉(zhuǎn)、俯仰為載體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，其信息可通過(guò)傳感器的數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行解算。飛行控制計(jì)算機(jī)模板和捷聯(lián)航姿系統(tǒng)所需的磁羅盤(pán)、陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器固定連接［8］，即飛行控制計(jì)算機(jī)和捷聯(lián)航姿系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的捷聯(lián)航姿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

捷聯(lián)航姿系統(tǒng)包括陀螺儀、加速度計(jì)和磁羅盤(pán)等模塊。飛行控制計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)對(duì)傳感器采集到的三維角速度、加速度、磁場(chǎng)分量進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并計(jì)算出四元數(shù)，進(jìn)而反解出三維的姿態(tài)角，供飛行控制系統(tǒng)讀取姿態(tài)。

2.7氣壓高度計(jì)模塊

為了保證飛行控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，采用慣性測(cè)量單元、氣壓高度計(jì)和GPS 3個(gè)傳感器信號(hào)，進(jìn)行信息融合后得到的高度信息作為飛行控制律運(yùn)算的高度反饋信號(hào)，提高系統(tǒng)高度測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。采用博世科技公司的BMP085氣壓傳感器，具有精度高、體積小和成本低等特點(diǎn)。

BMP085是一款超低功耗、高精度的壓力傳感器，性能卓越，功耗低，只有3 μA，絕對(duì)精度最低可以達(dá)到0.03 hPa。通過(guò)I2C總線直接與飛行控制計(jì)算機(jī)相連，氣壓高度計(jì)模塊的電路設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖3　DA輸出電路原理圖Fig.3　Schematic diagram of the DA output circuit

圖4　捷聯(lián)航姿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Structure diagram of the AHRS circuit

圖5　氣壓高度計(jì)電路原理圖Fig.5　Schematic diagram of the barometric altimeter circuit

2.8鐵電存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊

無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的軟件程序在飛行前需要配置許多參數(shù)，如航路的航點(diǎn)數(shù)據(jù)。鐵電存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊中存儲(chǔ)參數(shù)，參數(shù)的配置是通過(guò)上位機(jī)軟件通過(guò)串口通訊實(shí)時(shí)進(jìn)行的，其還可以對(duì)飛行狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，這些飛行信息對(duì)飛行狀態(tài)的后續(xù)分析，有很大幫助，尤其在無(wú)人機(jī)出現(xiàn)故障甚至引起墜機(jī)等意外事件，所存儲(chǔ)飛行前的飛行數(shù)據(jù)有助于查找事故原因。

基于總線接口和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的兩個(gè)因素，鐵電RAM選定了FM24V10作為數(shù)據(jù)記錄載體，其具有高速I(mǎi)2C總線接口，1M位存儲(chǔ)空間，它可直接與飛行控制計(jì)算機(jī)的I2C模塊相接。鐵電存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊電路原理圖如圖6所示。

圖6　鐵電存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路原理圖Fig.6　Schematic diagram of the ferroelectric memory extension circuit

3　結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)飛行控制計(jì)算機(jī)是飛行控制系統(tǒng)軟件得以運(yùn)行的載體，筆者著重從飛行控制計(jì)算機(jī)硬件的各個(gè)具體模塊進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了飛行控制計(jì)算機(jī)。該飛行控制計(jì)算機(jī)成功應(yīng)用于某型無(wú)人機(jī)的飛行試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果表明該飛行控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)合理。

［1］古月徐，楊忠，龔華軍.基于DSP的飛行控制器的設(shè)計(jì)與半實(shí)物仿真［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2005，24（2）：28-32.

［2］蘇奎峰，呂強(qiáng)，鄧志東，等.TMS320x28xxx原理與開(kāi)發(fā)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］Texas Instruments.TMS320x2833x System Control and Interrupts Reference Guide［Z］.Literature Number：SPRUFB0， 2007.

［4］Robert s J M，Corke P I，Buskey G.Low cost flight control system for a small autonomous helicopters［C］//Proc 2002 Austalasian Conference on Roboticsand Automation，2003：27229.

［5］張登成.某小型低空高速無(wú)人機(jī)控制律設(shè)計(jì)與仿真［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006，27（1）：25-28.

［6］戴文雯.新型無(wú)人直升機(jī)飛行控制技術(shù)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

［7］Mario Valenti，Brett Bethke，Daniel Dale．The MIT indoor multivehicle flight testbed［C］//IEEE International Conference on Robotics and Automation，2007：2758－2759．

［8］劉愛(ài)元，王連生，曲寧.基于PC/104嵌入式計(jì)算機(jī)的慣導(dǎo)模擬器設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2005（11）：26-30.

Hardware design on flight control computer for a certain UAV

GUO Yu-jin1，WANG Dao-bo2，LU Yin3
（1.The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Nanjing 210007，China；2.College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；3.Research Institute of Unmanned Aerial Vehicle，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

According to the high performance and miniaturization requirements for a certain UAV，the flight control computer hardware is designed and developed based on DSP as the processing core.The design methods and principle diagrams of each module for the flight control computer hardware are given in detail，including：DSP minimum system module，analog signal conditioning module，digital signal input/output module，DA output module，serial communication expansion module，strapdown attitude system module，barometric altimeter module，ferroelectric memory expansion module.The flight control computer has the characteristics of small volume，strong autonomous navigation ability，and is applied to flight experiment for a certain UAV successfully.

UAV；flight control computer；hardware design；DSP microprocessor

TP211+.5

A

1674－6236（2016）03-0050-03

2015-03-15稿件編號(hào)：201503200

郭昱津（1988—），女，江蘇南京人。研究方向：無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)、空中管理等。