基于DSP的小型無人直升機飛行控制系統(tǒng)設計

佟 賀，徐艷艷

（中國人民解放軍陸軍航空兵學院，北京 101123）

1 引言

無人機（UAV，Unmanned Aerial Vehicle）全稱無人駕駛飛機，可無人駕駛，且可重復使用。近年來，隨著控制技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，無人機的研究與制造也取得了迅猛的發(fā)展，應用領(lǐng)域也越來越廣泛，除軍事方面，在民用領(lǐng)域應用也越來越廣泛。作為眾多無人機的一種，無人直升機還具有一些獨特的飛行性能，可以完成一些其它無人飛行器很難完成的任務。

2 飛行控制系統(tǒng)總體設計

無人機設計最主要的部分就是飛行控制系統(tǒng)的設計，本文設計的飛行控制系統(tǒng)主要由DSP模塊和ARM模塊兩大部分組成，其硬件框圖如圖1所示。這里DSP模塊和ARM模塊通過一片雙口RAM來交換數(shù)據(jù)。圖中電源模塊主要是來提供系統(tǒng)所需的各種電壓和對供電電池進行管理。

圖1 飛行控制系統(tǒng)硬件平臺框圖

飛行控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)中的DSP模塊采用的是TMS320-DM642芯片，ARM采用的是Cortex-A芯片，此外，系統(tǒng)還包括一些外圍接口，主要有10M以太網(wǎng)接口、數(shù)傳電臺接口、RS232接口、GPS接口、I2C接口和SD卡接口等，這些模塊實現(xiàn)的功能主要有：

（1）保持和地面站的信息交換。

（2）采集傳感器端數(shù)據(jù)，如GPS信號和聲納高度傳感器數(shù)據(jù)。

（3）運行飛行控制算法和導航控制算法以及發(fā)送控制命令給主控芯片。

ARM模塊以Cortex-A為主控芯片，控制的接口電路主要有：六路無線接收器信號采集通道、九路姿態(tài)傳感器信號采集通道、五路舵機驅(qū)動通道、發(fā)動機轉(zhuǎn)速測量通道、電池電壓檢測通道等。這些模塊的主要功能如下：

（1）采集各路傳感器數(shù)據(jù)。

（2）接收無線接收機數(shù)據(jù)。

（3）接收TMS320DM642的命令。

（4）驅(qū)動舵機工作。

3 飛行控制系統(tǒng)硬件設計

控制器的硬件設計主要由DSP模塊和ARM模塊組成。其中DSP模塊主要包含DSP處理器芯片及部分外圍器件構(gòu)成。DSP處理器通過三個串口分別與數(shù)傳電臺、GSP和PC機相連接。再有，DSP芯片通過與聲納高度傳感器相連接，以此來獲得高度信息。此外，DSP模塊還額外預留一個以太網(wǎng)接口，主要作為系統(tǒng)調(diào)試的接口。DSP模塊與ARM模塊的數(shù)據(jù)交換主要由雙口RAM配合完成，SD卡主要用于存放應用軟件以及一些數(shù)據(jù)。

該飛行控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集和舵機驅(qū)動功能主要由ARM模塊完成。兩片模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要用來采集航向傳感器和姿態(tài)的信號。采集來數(shù)據(jù)先進行預處理，處理完畢后存放到雙口RAM中。ARM還由雙口RAM的指定位置讀取命令與數(shù)據(jù)，進而根據(jù)命令執(zhí)行相應的控制功能。

4 飛行控制系統(tǒng)軟件設計

飛行控制軟件可以實現(xiàn)無人機控制、檢測、通訊等功能。軟件主要設計了四個模塊：CPU輔助子模塊、控制子模塊、通信子模塊、飛行狀態(tài)檢測及故障判斷子模塊。程序部分采用了主程序+任務十中斷的軟件結(jié)構(gòu)。

CPU輔助子模塊的功能主要是提供CPU運行時必須的底層軟件，主要包括中央處理器、寄存器的初始化配置、PSD支持文件與常規(guī)算法庫；通訊子模塊主要用來提供GPS、遙控及遙測等信息數(shù)據(jù)；飛行狀態(tài)檢測子模塊可以檢測直升機在飛行過程中體現(xiàn)出的各種姿態(tài)信息；檢測及故障判斷子模塊要完成上電自檢測、飛控器運行狀況監(jiān)控等功能。

軟件系統(tǒng)上電后，先進行操作系統(tǒng)自身以及外圍設備初始化設置，然后建立系統(tǒng)欲實現(xiàn)的任務，并賦予不同的優(yōu)先級，直升機的穩(wěn)定飛行必須實時采集系統(tǒng)傳感器的各項數(shù)據(jù)，因此把信號采集任務設置為最高優(yōu)先級。采集到的數(shù)據(jù)通過任務之間的通信機制，傳遞給控制量計算任務，任務根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)執(zhí)行控制算法，計算出各個舵機的控制量，進而實現(xiàn)無人直升機飛行狀態(tài)的控制。