一種面向中小型無人機的飛控計算機設計與實現

馬小博 杜文亮 王博

摘要：針對中小型無人機的應用背景和設備特點，設計實現了一種雙余度的通用型飛控計算機，采用同構型雙余度容錯體系架構，延伸通用化、模塊化的設計思路，軟件方面配置了兩種嵌入式操作系統環境，在無人機方面具有較好的通用性。

關鍵詞：中小型無人機 飛控計算機 雙余度容錯

引言

本文結合中小無人機的應用背景和設備特點，設計了基于雙余度系統的飛控計算機計算平臺，利用商用貨架電子模塊，綜合了更多的功能，可實現一臺計算機對無人機的控制與管理。

1 飛控計算機系統架構

1.1飛控計算機系統功能

飛控計算機是飛控系統內的核心處理機，其主要功能可劃分為：

a.系統控制功能：飛控計算機實現對整個飛控系統的監測;支持飛控系統周期任務的調度;飛機飛行模式的選擇;飛控系統故障的處理、記錄、申報;飛控系統的測試與維護功能。

b.飛行控制與管理功能：穩定飛機姿態角及飛行高度;控制飛機的飛行狀態;控制飛機的回收;飛行狀態數據的采集與處理。

c.飛控計算機除了應滿足系統的控制與管理功能外還應具有一定的高可靠性，應采取容錯余度設計。

1.2飛控計算機整機架構

飛控計算機采用同構型雙余度通道容錯結構，每個通道的配置按照模塊化設計且可配置，即通過增減模塊的方法可滿足系統組成的要求。主要模塊由主處理器（CPU）模塊、串行通訊接口（SIO）模塊、模擬離散接口（ADIO）模塊、二次供電（PS）模塊、數據存儲電子盤、GPS模塊以及連接各模塊組件的母板組成，圖1為飛控計算機的結構圖。

1.3飛控計算機的安全工作模式

飛控計算機在無故障的情況下A通道優先級高于B通道，控制指令由A通道送出，B通道處于備份狀態，當A通道出現故障被判定通道失效而B通道正常時，B通道替代A通道工作，此時系統轉入單機工作方式，系統不再進行同步和CCDL傳輸，詳見表1。

2 通用模塊化硬件平臺實現

2.1處理器模塊

CPU模塊實現控制律計算，余度管理，任務設備管理以及檢測的功能。微處理器采用低功耗PowerPC8245，主頻266MHz，局部總線頻率為33MHz，128Mbytes 64位SDRAM，256Mbytes 64位USER FlashTM存儲器，12Mbytes 8位SYSTEM FlashTM存儲器，64kbytes 8位nvRAM存儲器，4個32位定時器，2路RS232串行調試接口，1路10M/100M以太網開發接口，總線頻率為33MHz的PCI總線接口，支持1個PCI設備。

2.2 ADIO模塊

ADIO模塊設計實現故障邏輯，同步電路，CCDL電路，具有16路的地/開離散量I/O接口，16路的模擬量I/O接口，12bit精度，±10V電壓范圍，轉換時間10us，4路頻率（最大1KHz）輸入接口，電壓范圍±5V。

模擬量輸入電路實現輸入信號的抗噪濾波、比例調節、同步解調、二階濾波、雙級選通、過壓限幅、A/D轉換電路和BIT激勵測試電路，信號轉換精度12位;離散量輸入輸出接口為采集、驅動輸出飛控系統所需的離散量信號提供接口資源。

2.3 SIO模塊

SIO模塊采用智能處理的方式，處理器選用TI公司的DSP芯片。串行輸入輸出控制芯片選用TI公司的TL16C554。SIO結構上設計背接電子盤接口，設計有具備PATA接口和IDE轉LBE總線接口背接具有USB功能的電子盤模塊，可通過主CPU模塊訪問電子盤，并且將電子盤USB接口通過母板連接至機箱USB口，也可通過外部上位機通過USB訪問電子盤。

2.4 PS模塊

電源模塊給計算機內部提供數字+5V、模擬±15V電源，其主要電路有升壓電路，主變換電路，5V輸出處理電路、±15V 輸出處理電路。電源設計符合GJB181A-2003《飛機供電特性》要求，輸入直流電壓額定值為28VDC，輸入直流電壓變化范圍為（18～32）VDC。輸入電源首先通過大電流濾波器，然后進入計算機機箱內以用于防止電磁干擾。

2.5 電子盤與GPS模塊

無人機的數據記錄、GPS等均為無人機的重要設備。該產品的電子盤電子盤選擇商用電子盤，采用SLC NAND FLASH存儲載體，容量4GB，主模塊通過IDE轉LBE供CPU模塊訪問，提供USB訪問接口。GPS模塊同為外購貨架產品，選用NovAtel的OEMV-2高精度GPS模塊，實現遙感和位置測量。

3 飛控計算機軟件配置

飛控計算機系統軟件是計算機的核心程序，由實時多任務操作系統、標準測試模塊、余度管理支持模塊、設備驅動程序功能模塊和地面支持系統組成，負責控制管理全機資源，包括CPU、內存、中斷源、接口和任務管理等，為增強飛控計算機的通用性，配置有兩種商用嵌入式實時操作系統分別是風河公司的Vxworks和QNX軟件公司的QNX操作系統及其開發環境。支持在兩種操作系統下的資源管理、任務調度、機內自測試、余度管理、文件系統等，可拓展應用于航空、汽車、船舶、兵器等多種領域。

4 小結

本項目研制了滿足中小型無人機的飛控計算機，解決了中小無人機采用高可靠容錯計算機面臨的成本瓶頸，實現了中小無人機飛控系統可靠性的提高，突破了在安全關鍵系統中綜合非安全關鍵系統電子設備這一關鍵技術該型飛控計算機目前通過了電磁兼容，電源供電特性、溫度、振動等惡劣環境試驗，完成了系統地面試驗和試飛試驗，已在多型中型和小型無人機上應用。

參考文獻

[1]李鵬勇，王海.美軍無人機先進機載偵察感知系系統，《國防科技工業》，2018.04.

[2]Unmanned Aircraft System Roadmap 2005～2030.

[3]姚一平，李沛瓊.可靠性及余度技術[M].北京：航空工業出版社，1985.