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簡析某型無人機(jī)飛行控制計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)論文
1 DSP 微處理器
飛行控制計(jì)算機(jī)是無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的核心，考慮飛行控制系統(tǒng)的功能和受到無人機(jī)對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)以及程序存儲量大，A/D 轉(zhuǎn)換精確快速等優(yōu)點(diǎn)， 并具有TI 公司所開發(fā)的功能強(qiáng)大的CCS 軟件平臺。無人機(jī)發(fā)動機(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)動機(jī)供電給飛行控制計(jì)算機(jī)，機(jī)載蓄電池在無人機(jī)啟動或發(fā)動機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)供電。
2 主要功能模塊設(shè)計(jì)
2.1 DSP 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)從串口燒寫程序，BOOT 啟動可以從SCI 或者FLASH啟動。
2.2 模擬量信號調(diào)理模塊
多路傳感器輸出的開關(guān)量、頻率信號、電壓信號及電阻信號是經(jīng)過模擬量信號調(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和A/D 器件采樣電平的信號。
模擬量輸出的信號包括俯仰、滾轉(zhuǎn)、油門舵機(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;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)模擬信號調(diào)理，設(shè)計(jì)采用通過加法器進(jìn)行平移和運(yùn)放進(jìn)行衰減。
2.3 數(shù)字量輸入/輸出模塊
無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的數(shù)字量輸出信號包括紅外增強(qiáng)器以及誘餌彈等任務(wù)設(shè)備投放信號、發(fā)動機(jī)啟動/停車信號，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)字量輸出信號的3.3 V 電平轉(zhuǎn)換為5 V， 以驅(qū)動ULN2803 的輸出。數(shù)字量輸入信號的外部輸入電平為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，對數(shù)字量輸入信號進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
2.4 DA 輸出模塊
飛控系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號采用模擬量信號，主要是輸出指令給舵機(jī)，進(jìn)而舵機(jī)的伺服電路驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。飛控系統(tǒng)包括油門舵機(jī)、縱向舵機(jī)、橫向舵機(jī)和航向舵機(jī)，這些舵機(jī)的控制信號范圍為-10~+10 V， 至少要4 路-10~+10 V�？紤]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。
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)航和無線數(shù)傳電臺等，它的通信接口都為RS232。飛控系統(tǒng)需進(jìn)行半實(shí)物仿真和測試，但半實(shí)物在回路測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)行測量。航向、滾轉(zhuǎn)、俯仰為載體的實(shí)時(shí)運(yùn)動姿態(tài)，其信息可通過傳感器的數(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、陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器固定連接，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)。
捷聯(lián)航姿系統(tǒng)包括陀螺儀、加速度計(jì)和磁羅盤等模塊。飛行控制計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)對傳感器采集到的三維角速度、加速度、磁場分量進(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，采用慣性測量單元、氣壓高度計(jì)和GPS 3 個(gè)傳感器信號，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，提高系統(tǒng)高度測量的準(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，絕對精度最低可以達(dá)到0.03 hPa。
2.8 鐵電存儲器擴(kuò)展模塊
無人機(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)。鐵電存儲器擴(kuò)展模塊中存儲參數(shù)，參數(shù)的配置是通過上位機(jī)軟件通過串口通訊實(shí)時(shí)進(jìn)行的，其還可以對飛行狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲， 這些飛行信息對飛行狀態(tài)的后續(xù)分析，有很大幫助，尤其在無人機(jī)出現(xiàn)故障甚至引起墜機(jī)等意外事件， 所存儲飛行前的飛行數(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I2C總線接口，1M 位存儲空間， 它可直接與飛行控制計(jì)算機(jī)的I2C 模塊相接。
3 結(jié)束語
無人機(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)用于某型無人機(jī)的飛行試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)和測試結(jié)果表明該飛行控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)合理。
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