簡析某型無人機飛行控制計算機硬件設計論文

1 DSP 微處理器

飛行控制計算機是無人機飛行控制系統的核心，考慮飛行控制系統的功能和受到無人機對體積和重量等條件約束，所研製的飛行控制計算機選用TI 公司的高性能處理芯片TMS320F28335 作爲飛行控制計算機的微處理器芯片，該芯片是一款TMS320C28X 系列浮點DSP 控制器， 具有功耗小，成本低，精度高，外設集成度高，性能高，數據以及程序存儲量大，A/D 轉換精確快速等優點， 並具有TI 公司所開發的功能強大的CCS 軟件平臺。無人機發動機整流後的電源和機載蓄電池作爲飛行控制計算機主電源的輸入，正常工作狀態下，發動機供電給飛行控制計算機，機載蓄電池在無人機啓動或發動機出現故障時供電。

2 主要功能模塊設計

2.1 DSP 最小系統模塊

保證DSP 正常工作所需的最小外圍電路稱爲DSP 最小系統，包括DSP 內核、ADC 模塊、BOOT 啓動選擇、I/O 供電模塊、電源模塊以及JTAG 調試模塊等。

DSP 最小系統的供電系統選用TI 公司的TPS767D301雙電源芯片，其中DSP 內核模塊供電爲1.8 V，IO 的供電爲3.3 V;晶振選用30 MHz，DSP 的工作頻率是經過5 倍頻放大達到150 MHz;選用MAX6021A 作爲ADC 的外部參考電壓，產生2.048 V 的基準電壓，使ADC 模塊的精度達到12 位;方便系統從串口燒寫程序，BOOT 啓動可以從SCI 或者FLASH啓動。

2.2 模擬量信號調理模塊

多路傳感器輸出的開關量、頻率信號、電壓信號及電阻信號是經過模擬量信號調理模塊電路進行濾波和放大處理，從而調理成適合計數器所需的脈衝的信號和A/D 器件採樣電平的信號。

模擬量輸出的信號包括俯仰、滾轉、油門舵機反饋、縱向舵機反饋、橫向舵機反饋、航向舵機反饋和電源電壓等信號;由於電壓輸出範圍爲-10V~+10V， 而DSP 內部ADC 模塊採集模擬量的範圍是0~+3 V，因此需將-10~+10 V 電壓轉換成0~+3 V。爲實現模擬信號調理，設計採用通過加法器進行平移和運放進行衰減。

2.3 數字量輸入/輸出模塊

無人機飛行控制系統中的數字量輸出信號包括紅外增強器以及誘餌彈等任務設備投放信號、發動機啓動/停車信號，這些功能的執行機構由繼電器實現。繼電器的控制電平爲24 V， 選用8 通道的ULN2803 驅動離散數字量輸出，而ULN2803 的輸入電平爲5 V，爲了電平匹配，使用74HCT245將DSP 的數字量輸出信號的3.3 V 電平轉換爲5 V， 以驅動ULN2803 的輸出。數字量輸入信號的外部輸入電平爲5 V， 而DSP 的IO口爲3.3 V 電平，爲了達到電平的匹配，選用74LVT245，對數字量輸入信號進行電平轉換。

2.4 DA 輸出模塊

飛控系統執行機構的控制信號採用模擬量信號，主要是輸出指令給舵機，進而舵機的伺服電路驅動執行機構。飛控系統包括油門舵機、縱向舵機、橫向舵機和航向舵機，這些舵機的控制信號範圍爲-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，它支持輸出電壓範圍爲-12~+12 V，雙極性輸出，功耗爲14.4 mW/Ch，8 通道，誤差爲±1LSB，採用SPI 總線通訊接口，精度達到1LSB，設置時間爲15 μs，12 位分辨率。

2.5 串行通信擴展模塊

飛行控制系統的通訊設備有GPS 模塊、組合導航和無線數傳電臺等，它的通信接口都爲RS232。飛控系統需進行半實物仿真和測試，但半實物在迴路測試和仿真的通信接口都爲RS422， 因此需要2 路RS422 和3 路RS232 通信接口。DSP 只有3 路SCI，採用TL16C754 擴展四路串口，同時保證TTL 電平和RS422 或者RS232 電平進行匹配， 採用SP3232和MAX3490 芯片進行全雙工的串行接口轉換。

2.6 捷聯航姿系統模塊

捷聯航姿系統是捷聯姿態航向參考系統的.簡稱，它是將慣性器件直接固定連接在載體上，載體座標系相對於慣性座標系的角速度和加速度，分別利用陀螺儀和加速度計進行測量。航向、滾轉、俯仰爲載體的實時運動姿態，其信息可通過傳感器的數據融合算法進行解算。飛行控制計算機模板和捷聯航姿系統所需的磁羅盤、陀螺儀、加速度計等傳感器固定連接，即飛行控制計算機和捷聯航姿系統進行一體化設計。

捷聯航姿系統包括陀螺儀、加速度計和磁羅盤等模塊。飛行控制計算機對系統對傳感器採集到的三維角速度、加速度、磁場分量進行數據融合並計算出四元數，進而反解出三維的姿態角，供飛行控制系統讀取姿態。

2.7 氣壓高度計模塊

爲了保證飛行控制系統的準確性和可靠性，採用慣性測量單元、氣壓高度計和GPS 3 個傳感器信號，進行信息融合後得到的高度信息作爲飛行控制律運算的高度反饋信號，提高系統高度測量的準確性和可靠性。採用博世科技公司的BMP085 氣壓傳感器，具有精度高、體積小和成本低等特點。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，絕對精度最低可以達到0.03 hPa。

2.8 鐵電存儲器擴展模塊

無人機飛行控制系統的軟件程序在飛行前需要配置許多參數，如航路的航點數據。鐵電存儲器擴展模塊中存儲參數，參數的配置是通過上位機軟件通過串口通訊實時進行的，其還可以對飛行狀態信息進行實時存儲， 這些飛行信息對飛行狀態的後續分析，有很大幫助，尤其在無人機出現故障甚至引起墜機等意外事件， 所存儲飛行前的飛行數據有助於查找事故原因。

基於總線接口和數據存儲空間的兩個因素， 鐵電RAM 選定了FM24V10 作爲數據記錄載體，其具有高速I2C總線接口，1M 位存儲空間， 它可直接與飛行控制計算機的I2C 模塊相接。

3 結束語

無人機飛行控制計算機是飛行控制系統軟件得以運行的載體，筆者着重從飛行控制計算機硬件的各個具體模塊進行了研究，設計並開發了飛行控制計算機。該飛行控制計算機成功應用於某型無人機的飛行試驗中，實驗和測試結果表明該飛行控制計算機設計合理。