無人機(jī)飛控設(shè)計(jì)

1、基于的無人飛行器飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵字：無人飛行器飛行控制1引言隨著科技的發(fā)展以及軍事戰(zhàn)略思想的轉(zhuǎn)變，無人飛行器在軍事、民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。各國正在研制和開發(fā)各種性能獨(dú)特的無人飛行器，改造的核心就是飛行控制系統(tǒng)。以其豐富的指令系統(tǒng)、高速高精度的運(yùn)算能力及豐富的片內(nèi)外設(shè)資源等優(yōu)勢(shì)，為飛控系統(tǒng)的發(fā)展提供了一個(gè)很好的平臺(tái)本系統(tǒng)選用的以下簡稱是公司開發(fā)的一款位芯片，采用高性能靜態(tài)技術(shù)，工作主頻可達(dá)。片內(nèi)集成了字的存儲(chǔ)器，方便實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí)還集成了豐富的外圍設(shè)備，如采樣頻率高達(dá)的位路轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)面向電機(jī)控制的事件管理器和多種標(biāo)準(zhǔn)串口通信外設(shè)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種高精度、擴(kuò)展性強(qiáng)

2、、小型化和低成本的新型飛行控制系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)方案要求和設(shè)計(jì)基于的飛控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)。接口設(shè)計(jì)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，將直接影響系統(tǒng)的性能。為了減輕系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，外部輸入信號(hào)用中斷方式讀入，信號(hào)輸入輸出時(shí)要考慮抗干擾性。充分考慮的片內(nèi)資源以及系統(tǒng)的接口要求，僅需對(duì)芯片進(jìn)行少量的外部接口擴(kuò)展，即可滿足飛控系統(tǒng)所有功能和未來擴(kuò)展性的要求。同時(shí)由于系統(tǒng)的輸入邏輯量較多，采用公司芯片1完成數(shù)據(jù)處理和邏輯運(yùn)算功能，以減少控制電路的體積，增加系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)各單元狀態(tài)的監(jiān)視和控制。系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。以下將從系統(tǒng)各模塊的實(shí)現(xiàn)加以說明。3硬件實(shí)現(xiàn)3.1模擬信號(hào)接收模擬信號(hào)經(jīng)

3、過信號(hào)調(diào)理模塊輸入，轉(zhuǎn)換選擇位逐次逼近轉(zhuǎn)換器1其片內(nèi)含有三態(tài)輸出緩存電路和高精度參考電壓源與時(shí)鐘電路，自帶采樣保持器。本設(shè)計(jì)采用的連接方式如圖所示，使工作在全控模式下。在的使用上采用程序啟動(dòng)、標(biāo)志查詢方式，啟動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)相配合，使一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束就處于數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生結(jié)束標(biāo)志，提高多通道時(shí)的通過率。5扎遛申喘框閨3.2串口通信處理器提供兩個(gè)串行通信接口，支持級(jí)接收和發(fā)送F但仍然滿足不了飛控系統(tǒng)與多外設(shè)的通訊要求。因此，系統(tǒng)選用異步串行接口擴(kuò)展芯片，方便地將的擴(kuò)為個(gè)全雙工、波特率最高可達(dá)的異步串行通信接口，作為主控制器和專用的通信設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸通道，進(jìn)行控制系統(tǒng)和地面的通信傳輸，作為與的

4、通信通道。使用簡單，不需要底層軟件支持，上電即可工作。圖3串口擴(kuò)展框圖。TOC o 1-5 h z串口擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)如圖，、是下行地址線，1是分別對(duì)應(yīng)子串口，是上行地址線，1，1，是分別對(duì)應(yīng)子串口，1，2。的口直接與的地址線相連。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過改變口的狀態(tài)來改變下行地址，選中特定的子串口接收數(shù)據(jù)時(shí)，通過讀取口的狀態(tài)來判斷數(shù)據(jù)具體來自哪一個(gè)子串口，從而對(duì)讀取到的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的處理。因此可以提高系統(tǒng)效率、減低軟件消耗。通過外加電平轉(zhuǎn)換芯片就可以實(shí)現(xiàn)，通訊。，.，存儲(chǔ)器擴(kuò)展上包含位的存儲(chǔ)器?？紤]到容量和速度，所以必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。采用一片公司生產(chǎn)的字大小的存儲(chǔ)芯片作為程序擴(kuò)展存儲(chǔ)器。供電，存取

5、時(shí)間最大不超過。不需要外加延時(shí)電路，直接將其數(shù)據(jù)線、地址線分別和的數(shù)據(jù)線、地址線相連。并將的第引腳與的片選信號(hào)引腳連接，的讀、寫選通信號(hào)分別與的讀、寫選通信號(hào)相連。波輸出無人飛行器伺服機(jī)構(gòu)的舵機(jī)由脈寬調(diào)制信號(hào)控制，利用占空比的變化，由產(chǎn)生的多路并行信號(hào)加上信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)的舵機(jī)控制電路，通過改變舵機(jī)的位置從而達(dá)到控制目的。集成了控制信號(hào)發(fā)生器，每個(gè)事件管理器能夠產(chǎn)生路輸出。由于芯片輸出的高電平為，而舵機(jī)控制信號(hào)輸入脈寬調(diào)制信號(hào)的高電平需要，因此輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)的高電平需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后才能驅(qū)動(dòng)舵機(jī)工作。為了避免電機(jī)驅(qū)動(dòng)板卡對(duì)主控板卡的干擾，采用高速光耦隔離器件將信號(hào)隔離，阻斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)板卡對(duì)主控板

6、卡的傳導(dǎo)干擾。，.5復(fù)位、電源電路在整個(gè)硬件設(shè)計(jì)中，主要用到的直流電源有。，板上電在整個(gè)硬件設(shè)計(jì)中，主要用到的直流電源有。，板上電源采用的圍電路所需的通過穩(wěn)壓電源，提供所需的電壓和及外電壓。所有信號(hào)與連接時(shí)需考慮電平匹配問題，通過加降壓芯片的方式來解決。的直流電源由蓄電池提供，其他直流電壓可以通過轉(zhuǎn)換模塊得到。電壓通過集成穩(wěn)壓模塊獲得?？紤]到本系統(tǒng)中還需和兩種電壓，所以選用了公司的芯片對(duì)輸入到的電壓進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，可使輸入電壓降為和。提供電流限制和熱保護(hù)。目標(biāo)板上的所有電源都可以用一個(gè)的穩(wěn)壓模塊提供。此外，為了調(diào)試方便，系統(tǒng)由公司的提通供0手7動(dòng)復(fù)位。復(fù)位信號(hào)經(jīng)譯碼后輸出高、低兩種電平有復(fù)位源都

7、引入，由對(duì)復(fù)位電平要求不同的元件分別復(fù)位。手動(dòng)按鈕和所內(nèi)建的處理驅(qū)動(dòng)，再輸出至復(fù)位目的地。源采用的圍電路所需的通過穩(wěn)壓電源，提供所需的電壓和及外電壓。所有信號(hào)與連接時(shí)需考慮電平匹配問題，通過加降壓芯片的方式來解決。的直流電源由蓄電池提供，其他直流電壓可以通過轉(zhuǎn)換模塊得到。電壓通過集成穩(wěn)壓模塊獲得?？紤]到本系統(tǒng)中還需和兩種電壓，所以選用了公司的芯片對(duì)輸入到的電壓進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，可使輸入電壓降為和。提供電流限制和熱保護(hù)。目標(biāo)板上的所有電源都可以用一個(gè)的穩(wěn)壓模塊提供。此外，為了調(diào)試方便，系統(tǒng)由公司的提通供0手7動(dòng)復(fù)位。復(fù)位信號(hào)經(jīng)譯碼后輸出高、低兩種電平有復(fù)位源都引入，由對(duì)復(fù)位電平要求不同的元件分別復(fù)位

8、。手動(dòng)按鈕和所內(nèi)建的處理驅(qū)動(dòng)，再輸出至復(fù)位目的地。系.統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)采用公司集成開發(fā)工具采用語言與匯編語言混合編程實(shí)現(xiàn)。中集成的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)系統(tǒng)初始化模塊設(shè)定化流程圖如圖4所示。0的0工0作模式，且其初始化只能在復(fù)位模式下進(jìn)行。初始直棹諾玄皿耀1J:叱時(shí)時(shí)N虻図出阪席粗CM熾IX戲讓田FlPOOR明將知常甘曲最住甜毎冋J(rèn)E況丄滬國卑系統(tǒng)控制流程圖如圖5所示。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)放置在任務(wù)線程中，其過程是將飛行數(shù)據(jù)分析結(jié)果等值存儲(chǔ)在中。檢測(cè)任務(wù)線程可以通過周期函數(shù)來完成。可以根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘來確定函數(shù)運(yùn)行的時(shí)間。這里，設(shè)置檢測(cè)任務(wù)運(yùn)行次。所有任務(wù)的啟動(dòng)都和飛控系統(tǒng)總線上的小周期計(jì)數(shù)息息相關(guān)，其中與接收

9、總線數(shù)據(jù)相關(guān)的任務(wù)都是由消息分發(fā)線程啟動(dòng)，當(dāng)接收的消息為發(fā)送的同步數(shù)據(jù)碼時(shí)，終端對(duì)象同步自己的小周期計(jì)數(shù)，并按現(xiàn)在所處的小周期啟動(dòng)相應(yīng)的任務(wù)。所有的任務(wù)都包含在消息處理線程中，每個(gè)終端都有一個(gè)這樣的線程，各個(gè)線程獨(dú)立工作，使各個(gè)終端處于并行工作方式。系統(tǒng)全部邏輯控制功能，均采用周期運(yùn)行方式，每隔由定時(shí)中斷程序喚醒。利用進(jìn)行邏輯運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理，并檢測(cè)模擬量輸入信號(hào)，判斷各監(jiān)控對(duì)象的工作狀態(tài)并按照系統(tǒng)控制邏輯決定輸出量。在其狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)通知，協(xié)助完成系統(tǒng)的自檢測(cè)功能。在狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，將當(dāng)前檢測(cè)到的狀態(tài)量與存儲(chǔ)的上一個(gè)狀態(tài)量相比較，如果兩次狀態(tài)相同，則不進(jìn)行任何操作如果發(fā)生變化，則向發(fā)出中斷信號(hào)，通知讀取數(shù)據(jù)。在接收發(fā)送的控制指令時(shí)，將該指令與當(dāng)前狀態(tài)相比較，若符合就不再發(fā)送控制指令，這樣就能防止多次發(fā)送控制指令引起的誤動(dòng)作。在飛行過程中，控制系統(tǒng)的任務(wù)主要包括采集無人機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算控制量并輸出到舵機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接受地面站的指令并傳輸無人飛行器的位置等信息。利用設(shè)計(jì)的控制板進(jìn)行伺服控制算法的實(shí)現(xiàn)，完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)舵機(jī)的控制。圖6為控制系統(tǒng)