無人機中嵌入式系統(tǒng)方案設(shè)計

無人機嵌入式系統(tǒng)設(shè)計嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計報告班級:姓名:學(xué)號:、無人機功能需求分析1）無人機是一種由動力驅(qū)動、機上無人駕駛、可重復(fù)使用的航空器的簡稱，可以簡單地分為軍用和民用兩大類，在這兩個領(lǐng)域可以說非?；馃?。2）在軍事領(lǐng)域，無人機的最大優(yōu)勢體現(xiàn)在能夠）執(zhí)行3D任務(wù)（即，Dull（枯燥乏味）、Dirty（惡劣環(huán)境）、Dangerous（危險）），這些任務(wù)可以細分為空中偵察、目標(biāo)搜索及定位、炮兵校射、激光照射、戰(zhàn)場觀察和毀傷評估、通訊中繼、大范圍搜救、電子戰(zhàn)、對地攻擊、導(dǎo)彈攔截、戰(zhàn)場物資補給及運送、空中格斗等。3）在民用領(lǐng)域，無人機價格相對低廉，應(yīng)用領(lǐng)域包括航拍、植保、地質(zhì)勘探、高壓輸電線路巡檢、油氣管路巡查、高速公路事故管理、森林防火巡查、污染環(huán)境勘察、反恐維穩(wěn)、公安執(zhí)法、應(yīng)急救援與救護、搶險救災(zāi)、海岸線巡查等。二、無人機組成原理無人機可主要有固定翼無人機、無人直升機和多旋翼無人機三大平臺，其它小種類無人機平臺還包括傘翼無人機、撲翼無人機和無人飛船，這里主要分析下微小型四旋翼無人機。1）由于微型無人機飛行姿態(tài)多變，為了增大無人直升機的帶載能力，該無人機采用了四旋翼的機械結(jié)構(gòu)，通過機載導(dǎo)航系統(tǒng)控制使其各旋翼之間協(xié)調(diào)運動，實現(xiàn)四旋翼無人機的飛行姿態(tài)自動調(diào)整，可按要求完成垂直起落控制、空中懸?？刂?、偏航控制、滾轉(zhuǎn)控制、俯仰控制等多種動作及任務(wù)。四旋翼無人機在各種結(jié)構(gòu)特征參數(shù)確定的情況下，通過改變旋翼轉(zhuǎn)速來改變拉力。四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)簡圖及受力分析

2）四翼無人機系統(tǒng)需要微型螺旋儀、加速速傳感器、大氣壓傳感器、電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測量單元和GPS接收單元。機載控制部分主要由控制系統(tǒng)核心模塊、慣性測量單元模塊IMU（InertialMeasurementUnit）、壓力傳感器模塊、無線部分（無線控制信號接收模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、全球定位系統(tǒng)模塊、無線視頻傳輸模塊）、電機控制部分（電機驅(qū)動控制模塊、電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測量模塊）以及紅外距離傳感器模塊等組成。三、無人機嵌入式計算機系統(tǒng)總體方案飛控系統(tǒng)由飛控計算機及其外圍傳感電路、執(zhí)行機構(gòu)組成，因此飛控計算機的主要功能包括：提供穩(wěn)定的電源供電系統(tǒng)、對各類模擬信號進行采樣預(yù)處理、處理各種開關(guān)量以控制相應(yīng)外圍設(shè)備、進行控制律計算以控制和穩(wěn)定無人機、操縱發(fā)動機的工作狀態(tài)以決定飛行模態(tài)、實現(xiàn)飛行航路的預(yù)設(shè)置等。RS4脂可設(shè)置系統(tǒng)總體設(shè)計框圖RS4脂可設(shè)置四、無人機嵌入式計算機系統(tǒng)硬件方案設(shè)計系統(tǒng)采用Atmel公司的工業(yè)級ARM9處理芯片AT91RM9200為核心，工作頻率可高達200MIPS，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32MB的SDRAM作為內(nèi)存，32MB的閃存用作程序和數(shù)據(jù)存儲空間，A/D電路完成對模擬信號的采樣，D/A電路完成對數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，8路串口通信電路工作方式在RS232、RS422、RS485之間可設(shè)置，32路離散I/0口可設(shè)置輸入輸出，另外留有調(diào)試用的DBUG口。

4.1核心控制電路核心控制電路確保ARM最小系統(tǒng)板及與各外擴功能芯片正常運行。設(shè)計最小系統(tǒng)板（核心板）的關(guān)鍵是AT91RM9200與SDRAM、閃存芯片的接口。實驗表明，核心板運行穩(wěn)定可靠，滿足計算處理數(shù)據(jù)時的速度和精度要求。ATOHM細DQO1的?5A1738R28J3D叫Rl1CEO-□QMLDQW1WWPBAO341OLK|-CODIJ心》A14AATOHM細DQO1的?5A1738R28J3D叫Rl1CEO-□QMLDQW1WWPBAO341OLK|-CODIJ心》A14AAlA16A0-A14DQMLDOWBAD4.2A/D采樣電路A/D采樣電路用來對各種模擬信號進行采樣預(yù)處理，由AD7490提供16路分辨率為12位的A/D通道。AT91RM9200通過SPI口與AD7490進行通信，AT91RM9200向AD7490寫入控制字，使其按設(shè)定的要求工作，通過Dout引腳將A/D采樣結(jié)果傳送到ARM的CPU。為了確保采樣精度，AD7490需外加2.5V參考電壓y枷。根據(jù)設(shè)計要求，A/D采樣電路的輸入信號電平范圍為一10V?+10V，而AD7490允許的輸入信號電平范嗣為0V?V。f|N或0V?2y加一，因此需要在輸入信號與AD7490的輸入引腳之間增加調(diào)理電路。

5調(diào)理電踣16VinsDidDmVraffNSCLKNPCSOMOSIMOSOSPCK.AD749QAT91RM9200A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖4.3D/A轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換電路用來處理各種開關(guān)量，由AD5668提供8路分辨率為16位的D/A通道。AT91RM9200通過SPI口與AD5668進行通信，AD5668的時鐘頻率可達50MHz。NPCS2SYNCVbuixMOS1NPCS2SYNCVbuixMOS1rDinMISOSFCK>SCLKAT91RM9200AD5668D/A轉(zhuǎn)換電路原理圖4.4UART串口通信根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，系統(tǒng)共需要8路串口通信，AT91RM9200自帶4路串口通信，由STl6C654對4路外擴串口通信進行控制。串口通信電路工作方式在RS232、RS422、RS484之間可設(shè)置。通信速率和中斷號由系統(tǒng)軟件設(shè)置。-AY-1.8ITTXA-TXDDCKD7A0-A2-AY-1.8ITTXA-TXDDCKD7A0-A2RXA-KXDLOWn電OjL■"JD0-D7A0-A2NRDNWPOnRST4i--RESETXTAL1C3A-CSD■<L■電踣——A3-A*HSC7ST1艘54擴串口通信電路原理圖4.5DBUG串行調(diào)試口由ADM3202實現(xiàn)DBUG串行調(diào)試口電路的控制。系統(tǒng)經(jīng)由DBUG串行調(diào)試口下載程序，進行啟動和調(diào)試。五、無人機嵌入式計算機系統(tǒng)軟件方案設(shè)計本無人機系統(tǒng)能以自動/手動兩種方式通過數(shù)字信號、繼電器和舵機完成對任務(wù)的控制。任務(wù)控制包括電子設(shè)備電源控制、接收串行數(shù)字信號設(shè)備、接收高低電平信號設(shè)備、微型無制導(dǎo)火箭電子點火控制、目標(biāo)識別、開傘、定點空投等任務(wù)，并可根據(jù)任務(wù)的實際需要設(shè)計各種獨立的任務(wù)控制模塊。本系統(tǒng)采用數(shù)字信號及繼電器控制任務(wù)的執(zhí)行，在自動控制時由導(dǎo)航控制系統(tǒng)在到達任務(wù)點時發(fā)出所需信號或由開關(guān)繼電器進行控制；在手動控制時由自動/手動控制切換單片機檢測遙控接收機任務(wù)通道的波形，根據(jù)地面指令發(fā)出所需信號或由開關(guān)繼電器進行控制。數(shù)據(jù)量大、功能多、實時性高是自主飛行控制系統(tǒng)的主要特點?？刂葡到y(tǒng)除在電路設(shè)計中采取了相關(guān)措施之外，根據(jù)任務(wù)要求，軟件設(shè)計中還采用了定時監(jiān)控技術(shù)和容錯技術(shù)檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)，并采用了余度技術(shù)和自恢復(fù)技術(shù)保證在軟件意外故障情況下重新恢復(fù)空中機器人故障前的運行狀態(tài)。飛控軟件系統(tǒng)主模塊流程如圖所示，主要完成RAM，D/A，串口，I/O和單片機外圍接口的初始化；A/D測試與采集；狀態(tài)信息、通信控制；航向?qū)崟r計算；導(dǎo)航數(shù)據(jù)實時處理；參數(shù)設(shè)置；緊急情況處理以及任務(wù)執(zhí)行等功能。飛控軟件系統(tǒng)主模塊六、實驗室調(diào)試及測試方案嵌入式項目的調(diào)試一般基于硬件和軟件兩個方面，一般先從硬件開始?；谟布矫?，在實驗室里，我們可以借助萬用表，檢測硬件電路工作時某個節(jié)點處電壓是否屬于正常值范圍；利用示波器查看系統(tǒng)與外部世界的交互過程，監(jiān)視目標(biāo)內(nèi)部電路上的信號，查看總線上的時序關(guān)系等?；谲浖矫妫Ｓ霉ぞ哂性诰€仿真器，片上調(diào)試器，ROM監(jiān)視器，JTAG等。在線仿真器允許用戶查看處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)或代碼并控制CPU運行;用片上調(diào)試器占用幾根專用的CPU引腳，通過片上調(diào)試邏輯實現(xiàn)運行控制，可以對目標(biāo)機CPU進行設(shè)置斷點、單步執(zhí)行以及資源讀寫等絕大多數(shù)基本調(diào)試活動;用ROM監(jiān)視器（駐留ROM的小程序），輔助測試與調(diào)試嵌入式程序，具有簡單是軟件斷點功能，包括在程序中設(shè)置斷點并運行用戶程序直到斷點處，也能單步運行應(yīng)用程序。利用這些硬件和軟件方面的工具對無人機項目驚醒全方面的測試和調(diào)試，找出項目中的錯誤、漏洞和不足之處，解決并且完善。七、完成嵌入式系統(tǒng)設(shè)計報告后的感受總體來說，這次系統(tǒng)設(shè)計難度對我而言是非常大的，盡管這學(xué)期學(xué)了嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計這門課，而且上學(xué)期也修了微機原理（MIPS為基礎(chǔ)）和實驗課程，對計算機組成和嵌入式有了足夠的了解，但是突然接受老師的任務(wù)去設(shè)計一個無人機的嵌入式系統(tǒng)，整個人還是有點懵，初步涉入還是感覺到所學(xué)內(nèi)容的匱乏，不足以完成任務(wù)。于是只能去網(wǎng)上搜索相關(guān)資料來看。查看了一些博客，對目前無人機的形勢，無人機嵌入式系