小型無(wú)人機(jī)飛行控制器硬件設(shè)計(jì)

1、 小型無(wú)人機(jī)飛行控制器硬件設(shè)計(jì)郝恩敬 , 肖前貴 , 李志宇(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 , 江蘇省南京市 210016摘 要 :從飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā) , 介紹了基于 AT91R M9200的小型化高性能無(wú)人機(jī)飛行 控制器的硬件設(shè)計(jì) , 并對(duì)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵軟件技術(shù)進(jìn)行了研究 。 該飛行控制器采用了優(yōu)勢(shì)突出的 AR M 2L inux 嵌入式設(shè)計(jì)方案 , 具有廣泛的應(yīng)用前景 。實(shí)踐證明 , 該實(shí)現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 功能強(qiáng)大 , 能夠滿足 系統(tǒng)控制的要求 , 具有較高的實(shí)用性 。關(guān)鍵詞 :無(wú)人機(jī) ; 飛行控制 ; AR M; L inux 中圖分類號(hào) :TP273. 5收稿日期 :20092

2、03218。1 122(Un manned Aerial Vehicle 是 一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng) 、 機(jī)上無(wú)人駕駛 、 可重復(fù)使用的航空 器 , 簡(jiǎn)稱為無(wú)人機(jī) (UAV 。無(wú)人機(jī)不需要飛行員在機(jī)艙內(nèi)進(jìn)行駕駛 , 飛行全過(guò)程在電子設(shè)備的控制下自動(dòng) 完成 。 無(wú)人機(jī)上不需安裝任何與飛行員有關(guān)的設(shè)備 , 這樣可以騰出空間和承載力安裝更重要的設(shè)備 。 技術(shù) 的進(jìn)步和戰(zhàn)爭(zhēng)的需求使得現(xiàn)代無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷 擴(kuò)展 。 無(wú)人機(jī)正從過(guò)去單一的偵察 、 預(yù)警戰(zhàn)斗支援作 用向攻擊殺傷作用的方向發(fā)展 , 在現(xiàn)代高科技軍事戰(zhàn) 爭(zhēng)中扮演的角色越來(lái)越重要 , 已經(jīng)成為影響作戰(zhàn)效能 的重要甚至關(guān)鍵性力量 。2 飛行控制器的功能

3、無(wú)人機(jī)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)系統(tǒng) 3的核心 ,負(fù)責(zé)無(wú)人機(jī)整個(gè)飛行過(guò)程的控制和任務(wù)設(shè)備管理 。 其 中無(wú)人機(jī)飛行控制器主要承擔(dān)以下幾方面的任務(wù) :a 接收地面指令并采集飛機(jī)航姿信息 , 進(jìn)行處理 和變換 ;b 無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)工作模式的管理 ; c 控制律的解算 , 生成控制信號(hào) ;d 對(duì)飛控系統(tǒng)中各傳感器及伺服系統(tǒng)進(jìn)行管理 ;e 對(duì)飛控計(jì)算機(jī)本身的硬件和軟件進(jìn)行管理和檢測(cè) , 完成系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè) ;f 完成對(duì)機(jī)內(nèi)其他任務(wù)載荷及電子部件的控制 和數(shù)據(jù)交聯(lián) 。 可見(jiàn) , 無(wú)人機(jī)飛行控制器可以說(shuō)是整個(gè) 無(wú)人機(jī)的大腦 , 在飛行過(guò)程中 , 對(duì)保障無(wú)人機(jī)穩(wěn)定飛行 起著至關(guān)重要的作用 。3 飛行控制器的組成

4、結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)以上的功能 4, 無(wú)人機(jī)需要獲得的飛行姿態(tài)實(shí)時(shí)參數(shù)包括俯仰角 、 滾轉(zhuǎn)角 、 航向 、 高度等實(shí)時(shí) 參數(shù)信息 , 以及遙控遙測(cè)信息 。 以這些信息為基礎(chǔ) , 經(jīng) 過(guò)微控制器控制算法的解算 , 實(shí)時(shí)輸出控制量到執(zhí)行 機(jī)構(gòu) , 從而實(shí)現(xiàn)控制和導(dǎo)航 。 其組成結(jié)構(gòu)如圖 1所示 。圖 1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖進(jìn)行姿態(tài)數(shù)據(jù)采集 5時(shí) , 所采用的傳感器很多是 模擬信號(hào)輸出 , 因此飛控計(jì)算機(jī)必須有多路模擬數(shù)據(jù) 的高精度采集能力 。 一些航向傳感器和遙控遙測(cè)數(shù)據(jù) 等外圍單元與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)多采用 RS 2232、 RS 2422或 RS 2485接口 , 因此必須具有多串口數(shù)據(jù)處理能力 。無(wú)人

5、機(jī)飛行控制器要完成控制信號(hào)輸 出 , 從而控制舵機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu) 。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入信號(hào) 可能是模擬信號(hào) , 而微處理器的輸出信號(hào)是數(shù)字信號(hào) , 因而在微處理器和舵機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間必須要有 D /A轉(zhuǎn)換模塊 。 在飛行控制過(guò)程中系統(tǒng)需要大容量的存儲(chǔ) 空間 , 用來(lái)存儲(chǔ)飛控系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)并作為系統(tǒng)的 內(nèi)存 ; 而微處理器的內(nèi)部存儲(chǔ)資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求 , 因而必須進(jìn)行存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 。4 飛行控制器的設(shè)計(jì)根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行控制器的功能 , 研究并設(shè)計(jì)基于 ARM 處理器的導(dǎo)航與控制計(jì)算機(jī)的功能 、 結(jié)構(gòu)和接 口 , 如圖 2所示 。 分析圖 2可知 , 基 于 AR M 的 小型 無(wú)15 第 35卷第 8

6、期 2009年 8月 信 息 化 研 究 I nf or matizati on Research Vol . 35No . 8Aug . 2009 人機(jī)飛行控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)包括以下內(nèi)容 :(1 嵌 入式處理器及嵌入式操作系統(tǒng)的研究及其選型 ; (2 A /D功能模塊的設(shè)計(jì) ; (3 D /A功能模塊的設(shè)計(jì) ; (4 串口擴(kuò)展功能模塊的設(shè)計(jì) ; (5 S DRAM 、 Flash 存儲(chǔ)器 的擴(kuò)展 ; (6 linux 內(nèi)核的裁剪 ; (7 驅(qū)動(dòng)軟件和測(cè)試 軟件的開(kāi)發(fā) 。圖 2 飛行控制器功能 、 結(jié)構(gòu)和接口4. 1 嵌入式處理器及嵌入式操作系統(tǒng)的研究及選型研究并比較市場(chǎng)上的一些常用嵌入式處理

7、器體系結(jié)構(gòu) , 根據(jù)飛控系統(tǒng)要具備較強(qiáng)的處理能力 、 較高的處 理速度 、 較強(qiáng)的靈活性和較低的能耗這些特點(diǎn)選擇嵌 入式處理器 。 結(jié)合設(shè)計(jì)要求選擇出最適合本系統(tǒng)的工業(yè)級(jí) AT91R M92006芯片作為嵌入式系統(tǒng)處 理器 。 AT91RM9200的工作頻率可達(dá) 200M I PS, 其外圍電源電路 、 復(fù)位電路 、 晶振電路保證系統(tǒng)正常工作 , 外擴(kuò) 32MB S DRAM 作為內(nèi)存 , 2×16MB 的 Flash 存儲(chǔ)器用作 程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間 , A /D電路完成對(duì)模擬信號(hào)的 采樣 , D /A電路完成對(duì)數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 , 8路串口通信電 路工作方式在 RS 2232、 RS

8、 2422、 RS 2485之間可設(shè) , 32路離散 I/O口可設(shè)置輸入輸出 , 另外留有調(diào)試用的 DBUG 口 。無(wú)人機(jī)飛行控制器復(fù)雜的任務(wù)和功能要求其操作 系統(tǒng)必須具有實(shí)時(shí)性 , 嵌入式操作系統(tǒng)與整個(gè)系統(tǒng)的 性能密切相關(guān) , 它負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟 、 硬件資源 的分配調(diào)度 、 控制協(xié)調(diào)等活動(dòng) 。研究并比較了目前流 行的嵌入式操作系統(tǒng) , 選擇出最適合本系統(tǒng)軟件平臺(tái) 開(kāi)發(fā)的嵌入式 L inux 操作系統(tǒng) , 并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析 。 L inux 操作系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括 :源代碼公開(kāi) ; 系統(tǒng)升級(jí) 、 軟 件移植方便 ; 性能穩(wěn)定可靠 ; 內(nèi)核可裁減 , 功能可定制 ; 優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能 ; 支

9、持多種文件系統(tǒng)等 。 4. 2 A /D功能模塊的設(shè)計(jì)AT91R M9200處理器內(nèi)部沒(méi)有 A /D轉(zhuǎn)換模塊 , 因此必須選擇專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行 A /D功能模塊 的設(shè)計(jì) 。根據(jù)設(shè)計(jì)要求最終選擇 AD7490芯片進(jìn)行 A /D功能模塊的設(shè)計(jì) 。其電路原理如圖 3所示 , 由 AD7490提 供 16路 分 辨 率 為 12位 的 A /D通 道 。 AT91RM9200通 過(guò) SP I 口 與 AD7490進(jìn) 行 通 信 , AT91RM9200向 AD7490, 使其按設(shè)定的要求工作 Dout 采樣結(jié)果傳送到 需外加 2. 5V V 。 , A /D采樣電路的輸入 -10V +10V ,

10、 而 AD7490允許的 輸入信號(hào)電平范圍為 0V V ref I N 或 0V 2V refI N , 因此 需要在輸入信號(hào)與 AD7490的輸入引腳之間增加調(diào)理 電路 。 調(diào)理電路應(yīng)對(duì)輸入信號(hào) u in_s先進(jìn)行衰減再加直 流偏置電壓 , 使其電平范圍變?yōu)?0V V refI N 或 0V 2V refI N 。 其衰減系數(shù)為 4或 8, 取決于 AD7490控制寄 存器的 bit1(RANGE 的取值是 0或 1。根據(jù)以上原理便可設(shè)計(jì)出符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的無(wú)人機(jī)飛行控制器 A /D模塊 。圖 3 A /D轉(zhuǎn)換電路原理4. 3 D /A功能模塊的設(shè)計(jì)微處理器與伺服回路之間通常采用直流模擬量的 接

11、口方 式 , 要 求 微 處 理 器 具 有 D /A轉(zhuǎn) 換 模 塊 , 而 AT91RM9200處理器內(nèi)部沒(méi)有 D /A轉(zhuǎn)換模塊 , 因而需 要進(jìn)行 D /A模塊的設(shè)計(jì) 。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇 AD5668芯片進(jìn)行 D /A功能模塊的設(shè)計(jì) 。其電路原理如圖 4所示 , 由 AD5668提供 8路分辨率為 16位的 D /A通 道 。 AT91R M9200通過(guò) SP I 口與 AD5668進(jìn)行通信 , AD5668的時(shí)鐘頻率可達(dá) 50MHz 。 AD5668的 D /A輸 出信號(hào) u out_da的電平范圍為 0V 5V , 無(wú)法滿足控制 系統(tǒng)的 D /A輸出信號(hào)電平雙極性的要求 。可以利用

12、AD5668內(nèi)部產(chǎn)生的高精度 2. 5V 參考電壓 , 設(shè)計(jì)調(diào)理 電路 , 使輸出信號(hào) u out_s的電平范圍滿足要求 。 4. 4 串口擴(kuò)展功能模塊的設(shè)計(jì)航向傳感器和遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)等外圍單元與微處理 器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)多采用 RS 2232、 RS 2422或 RS 2485接口 , 因此無(wú)人機(jī)飛行控制器要具有多串口通信能力 , 因此必須具有串口功能模塊 。 AT91RM9200處理器內(nèi)25 技術(shù)應(yīng)用 信 息 化 研 究 2009年 8月 圖 4 D /A轉(zhuǎn)換電路原理部沒(méi)有串口 , 而設(shè)計(jì)要求控制器具有 8個(gè)可以同時(shí)通信的 串 口 , 因 而 必 須 進(jìn) 行 串 口 擴(kuò) 展 。最 終 選 擇

13、ST16C654芯片進(jìn)行串口功能模塊的設(shè)計(jì) 。其電路原 理如圖 5所示 。 串口通信電路工作方式可根據(jù)需要設(shè) 置為 RS 2232、 RS 2422、 RS 2485, 統(tǒng)軟件設(shè)置 。 實(shí)驗(yàn)證明 , 信 。圖 5 外擴(kuò)串口通信電路原理4. 5 S D RA M 、 Fl a sh 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展AT91R M9200的主頻高達(dá) 200M I PS, 完全滿足飛行控制系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行控制器 CP U 的速度要求 , 系 統(tǒng)性能主要取決于外圍電路 。在飛行控制過(guò)程中 , 系 統(tǒng)需要大容量的存儲(chǔ)器 。 片內(nèi)的存儲(chǔ)器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足 系統(tǒng)要求 , 嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的執(zhí)行速度和實(shí)時(shí)性 , 因而 必須擴(kuò) 展存儲(chǔ)

14、器 。其 電路原 理如 圖 6所 示 。兩 片 MT48LC16M16A2是 外擴(kuò) 的 S DRAM , 用 作 系 統(tǒng) 的 內(nèi)存 , 其容量為 256Mbit, 即 32MB; 28F128J3D 是外擴(kuò)的 Flash 存儲(chǔ)器 , 用作程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間 , 容量可達(dá) 16MB 。4. 6 L i n ux 內(nèi)核的裁剪小型無(wú)人機(jī)飛行控制器的硬件設(shè)計(jì)完成后 , 需要 配備相應(yīng)的軟件系統(tǒng) , 首先要進(jìn)行 L inux 內(nèi)核的裁剪 。 L inux 原本是多用戶分時(shí)系統(tǒng) , 它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是解決 眾多用戶的交互問(wèn)題 。 而嵌入式系統(tǒng)工作在單用戶方 式下 , 因此在開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)時(shí)許多方面都可以簡(jiǎn)化

15、 , 以削減代碼和占用空間 。 本系統(tǒng)采用 L inux 22. 4. 19的 內(nèi)核 , 用“ make menuconfig ” 命令進(jìn)入內(nèi)核配置界面 , 對(duì)內(nèi)核進(jìn)行裁剪 , 將需要的項(xiàng)選中不需要的去掉 , 完成 設(shè)置后 , 退出并保存設(shè)置 , 然后執(zhí)行“ make zI m age ” 命 令 , 編譯生成定制的內(nèi)核映像文件 。最后將內(nèi)核燒寫 到系統(tǒng)中 , 則完成了系統(tǒng)內(nèi)核的裁剪 。圖 6 AT91R M 9200的存儲(chǔ)器擴(kuò)展原理4. 7 驅(qū)動(dòng)軟件及測(cè)試軟件的開(kāi)發(fā)要完成嵌入式 L inux 在 AT91R M9200中的軟件開(kāi)發(fā)工作 , 首先需要建立交叉編譯環(huán)境 , 然后直接在目標(biāo) 板上進(jìn)

16、行軟件開(kāi)發(fā) 。 將宿主機(jī)和目標(biāo)板通過(guò)以太網(wǎng)連 接 , 在宿主 PC 機(jī)上運(yùn)行 m inicom 作為目標(biāo)板的顯示終 端 , 在目 標(biāo) 板 上 通 過(guò) NFS (網(wǎng) 絡(luò) 文 件 系 統(tǒng) 來(lái) 掛 接 (mount 宿主機(jī)硬盤 , 讓應(yīng)用程序直接運(yùn)行在目標(biāo)板 上進(jìn)行調(diào)試 。 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要內(nèi)容包括 :設(shè)備注 冊(cè) 、 打開(kāi)設(shè)備 、 讀寫設(shè)備 、 獲取內(nèi)存 、 打印信息 、 釋放設(shè) 備 、 設(shè)備卸載 。 驅(qū)動(dòng)軟件的開(kāi)發(fā)關(guān)鍵是完成 file 2opera 2ti ons 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中所需函數(shù)的編寫和 L inux 物理地址到 虛擬地址的映射 , 以及內(nèi)核空間和用戶空間之間的數(shù) 據(jù)傳遞 。 測(cè)試軟件用來(lái)調(diào)

17、通所需的資源和調(diào)試各功能 模塊的驅(qū)動(dòng)程序 , 并檢驗(yàn)各功能模塊能否正常使用 。 驅(qū)動(dòng)程序編寫好后 , 采用直接加載到目標(biāo)板的方法進(jìn) 行調(diào)試 。 調(diào)試信息通過(guò)串口打印在宿主機(jī)的 m inicom 屏幕上 , 這樣便可以進(jìn)行調(diào)試 。有問(wèn)題時(shí)切換至編輯 編譯模式下進(jìn)行程序修改 , 重新在開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行 , 直至 程序工作正常 。 驅(qū)動(dòng)程序編寫并且調(diào)試完成后 , 便可 進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā) 。5 結(jié)束語(yǔ)本文介紹了一種基于 AT91RM9200的小型無(wú)人 機(jī)飛行控制器的設(shè)計(jì)方法 , 該飛行控制器用于某型無(wú) 人機(jī)的飛行控制 。通過(guò)以 AT91R M9200芯片為處理35 第 35卷第 8期 郝恩敬 , 等

18、 :小型無(wú)人機(jī)飛行控制器硬件設(shè)計(jì) 技術(shù)應(yīng)用 核心的嵌入式設(shè)計(jì)方案使整個(gè)飛控系統(tǒng)的集成度 、 穩(wěn) 定性和實(shí)時(shí)性進(jìn)一步得到提高 , 增強(qiáng)了無(wú)人機(jī)的整機(jī) 性能 。 經(jīng)過(guò)調(diào)試 , 系統(tǒng)各模塊均符合設(shè)計(jì)要求 , 整個(gè)系 統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定 。 本文以性能優(yōu)越的工業(yè)級(jí) AT91R M9200處理器為核心 , 采用 AR M 2L inux 設(shè)計(jì)方案 , 設(shè)計(jì)的無(wú) 人機(jī)飛行控制器與傳統(tǒng)的飛行控制器相比處理能力增 強(qiáng) 、 實(shí)時(shí)性更好 、 重量和體積更小 , 為小型化 、 高性能無(wú) 人機(jī)的研制奠定了基礎(chǔ) 。參 考 文 獻(xiàn)1崔麥會(huì) , 黃曉娟 , 景小飛 . 21世紀(jì)軍用無(wú)人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)J .航空科學(xué)技術(shù) , 2002(

19、3 :26229.2S OUM E L I D I S A, G ASP AR P, REG ULA et . ol ofan experi m ental m 16th M Aut on, Jun 25227, A o, . Piscata way, NJ, US A:I EEE, 2008:125221257.3蘇永振 , 胡延霖 , 陳暉 . 基于 AR M 的小型數(shù)字無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) J .戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈控制技術(shù) , 2005(4 :225.4李碩 , 李小民 . 基于 AR M 的小型無(wú)人機(jī)飛行控制器設(shè)計(jì)J .微計(jì)算機(jī)信息 :嵌入式與 S OC, 2007, 23(1022 :133

20、2135.5王斌 , 羅秋鳳 , 王海濤 . 某小型無(wú)人機(jī)的飛行控制計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)計(jì) J .計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制 , 2006, 14(10 :135521357.6AT91R M9200M icr ocontr oller Manual M.AT 2ME L porati on, 2004.Engine 的高性能飛行與實(shí) .計(jì) 息 :測(cè) 控 自 動(dòng) 化 ,211618. 郝恩敬 (19842 , 男 , 碩士研究生 , 主要研究方向?yàn)轱w行控 制 。Hardware Desi gn of S mall UAV Fli ght ControllerHAO En ji n g, X IAO Q i a

21、 ngu i , L I Zh i yu(College of Aut omati on Engineering, Nanjing University of Aer onautics and A str onautics, Nanjing 210016, China Abstract:This paper intr oduces how t o design the hardware of m iniaturized high 2power flight contr oller which is based on AT91RM9200. The flight contr ol system

22、, and the key s oft w are techniques related t o this de 2sign are discussed in this paper . The flight contr oller takes advantage of the p r om inent features of AR M 2L inux e mbedded design, and has good design, res ources rati onality and openness, s o it has wide app licati on p r os 2pect . P

23、ractice shows, this sche me has si m p le structure and str ong functi ons, and it can meet the require ment of contr ol syste m , s o it has good p racticability .Keywords:un manned aerial vehicle (UAV ; flight contr ol; AR M; L inux(上接第 50頁(yè) Desi gn of Radar Tra i n i n g Si m ul ator Master Control SoftwareBased on M ultithreadi n gM A Jun t ao, X IA M i n fe i , L I U Feng(Depart m ent of Op tics and Electr onic Engineering, O rdnance Engineering College, Shijiazhuang 050003