簡析某型無人機飛行控制計算機硬體設計論文

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 公司的高效能處理晶片TMS320F28335 作為飛行控制計算機的微處理器晶片，該晶片是一款TMS320C28X 系列浮點DSP 控制器， 具有功耗小，成本低，精度高，外設整合度高，效能高，資料以及程式儲存量大，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 軟體平臺。無人機發動機整流後的電源和機載蓄電池作為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啟動或發動機出現故障時供電。

2 主要功能模組設計

2.1 DSP 最小系統模組

保證DSP 正常工作所需的最小外圍電路稱為DSP 最小系統，包括DSP 核心、ADC 模組、BOOT 啟動選擇、I/O 供電模組、電源模組以及JTAG 除錯模組等。

DSP 最小系統的供電系統選用TI 公司的TPS767D301雙電源晶片，其中DSP 核心模組供電為1.8 V，IO 的供電為3.3 V;晶振選用30 MHz，DSP 的工作頻率是經過5 倍頻放大達到150 MHz;選用MAX6021A 作為ADC 的外部參考電壓，產生2.048 V 的基準電壓，使ADC 模組的精度達到12 位;方便系統從串列埠燒寫程式，BOOT 啟動可以從SCI 或者FLASH啟動。

2.2 模擬量訊號調理模組

多路感測器輸出的開關量、頻率訊號、電壓訊號及電阻訊號是經過模擬量訊號調理模組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訊號和A/D 器件取樣電平的訊號。

模擬量輸出的訊號包括俯仰、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訊號;由於電壓輸出範圍為-10V~+10V， 而DSP 內部ADC 模組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。為實現模擬訊號調理，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/輸出模組

無人機飛行控制系統中的數字量輸出訊號包括紅外增強器以及誘餌彈等任務裝置投放訊號、發動機啟動/停車訊號，這些功能的執行機構由繼電器實現。繼電器的控制電平為24 V， 選用8 通道的ULN2803 驅動離散數字量輸出，而ULN2803 的輸入電平為5 V，為了電平匹配，使用74HCT245將DSP 的數字量輸出訊號的3.3 V 電平轉換為5 V， 以驅動ULN2803 的輸出。數字量輸入訊號的外部輸入電平為5 V， 而DSP 的IO口為3.3 V 電平，為了達到電平的匹配，選用74LVT245，對數字量輸入訊號進行電平轉換。

2.4 DA 輸出模組

飛控系統執行機構的控制訊號採用模擬量訊號，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，這些舵機的控制訊號範圍為-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，它支援輸出電壓範圍為-12~+12 V，雙極性輸出，功耗為14.4 mW/Ch，8 通道，誤差為±1LSB，採用SPI 匯流排通訊介面，精度達到1LSB，設定時間為15 μs，12 位解析度。

2.5 序列通訊擴充套件模組

飛行控制系統的通訊裝置有GPS 模組、組合導航和無線數傳電臺等，它的通訊介面都為RS232。飛控系統需進行半實物模擬和測試，但半實物在迴路測試和模擬的通訊介面都為RS422， 因此需要2 路RS422 和3 路RS232 通訊介面。DSP 只有3 路SCI，採用TL16C754 擴充套件四路串列埠，同時保證TTL 電平和RS422 或者RS232 電平進行匹配， 採用SP3232和MAX3490 晶片進行全雙工的序列介面轉換。

2.6 捷聯航姿系統模組

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線在載體上，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、俯仰為載體的實時運動姿態，其資訊可通過感測器的資料融合演算法進行解算。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、加速度計等感測器固定連線，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組。飛行控制計算機對系統對感測器採集到的三維角速度、加速度、磁場分量進行資料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 氣壓高度計模組

為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 個感測器訊號，進行資訊融合後得到的高度資訊作為飛行控制律運算的高度反饋訊號，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 氣壓感測器，具有精度高、體積小和成本低等特點。BMP085 是一款超低功耗、高精度的壓力感測器，效能卓越，功耗低，只有3 μA，絕對精度最低可以達到0.03 hPa。

2.8 鐵電儲存器擴充套件模組

無人機飛行控制系統的軟體程式在飛行前需要配置許多引數，如航路的航點資料。鐵電儲存器擴充套件模組中儲存引數，引數的配置是通過上位機軟體通過串列埠通訊實時進行的，其還可以對飛行狀態資訊進行實時儲存， 這些飛行資訊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， 所儲存飛行前的飛行資料有助於查詢事故原因。

基於匯流排介面和資料儲存空間的兩個因素， 鐵電RAM 選定了FM24V10 作為資料記錄載體，其具有高速I2C匯流排介面，1M 位儲存空間， 它可直接與飛行控制計算機的I2C 模組相接。

3 結束語

無人機飛行控制計算機是飛行控制系統軟體得以執行的載體，筆者著重從飛行控制計算機硬體的各個具體模組進行了研究，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。