基于SmartFusion的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言
飛行控制系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)的重要組成部分，是飛行控制算法的運(yùn)行平臺(tái)，它的性能好壞直接關(guān)系著無(wú)人機(jī)能否安全可靠的飛行。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)正向著多功能、高精度、小型化、可復(fù)用的方向發(fā)展。高精度要求無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)的精度高，穩(wěn)定性好，能夠適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境，因此控制算法比較復(fù)雜，計(jì)算速度快，精度高；小型化則對(duì)控制系統(tǒng)的重量和體積提出了更高的要求，要求控制系統(tǒng)的性能越高越好，體積越小越好。此外，無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)還要具有實(shí)時(shí)、可靠、低成本和低功耗的特點(diǎn)。基于以上考慮，本文從實(shí)際工程應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于SmartFusion的無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)。

1 飛控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
飛行控制系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)上的功能主要有兩個(gè)：一是飛行控制，即無(wú)人機(jī)在空中保持飛機(jī)姿態(tài)與航跡的穩(wěn)定，以及按地面無(wú)線電遙控指令或者預(yù)先設(shè)定好的高度、航線、航向、姿態(tài)角等改變飛機(jī)姿態(tài)與航跡，保證飛機(jī)的穩(wěn)定飛行，這就是通常所謂的自動(dòng)駕駛；二是飛行管理，即完成飛行狀態(tài)參數(shù)采集、導(dǎo)航計(jì)算、遙測(cè)數(shù)據(jù)傳送、故障診斷處理、應(yīng)急情況處理、任務(wù)設(shè)備的控制與管理等工作。
飛行控制系統(tǒng)主要完成3個(gè)功能任務(wù)，其層次構(gòu)成為三層：最底層的任務(wù)是提高無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)和突風(fēng)減緩的固有阻尼——三個(gè)軸方向的阻尼器功能；第2層的任務(wù)是穩(wěn)定無(wú)人機(jī)的姿態(tài)角——基本駕駛儀的功能(主要進(jìn)行角運(yùn)動(dòng)控制)；第3層的任務(wù)是控制飛行高度、航跡和飛行速度，實(shí)現(xiàn)較高級(jí)自動(dòng)駕駛功能。飛行控制系統(tǒng)原理框圖見(jiàn)圖1。

由上述分析易知，飛行控制系統(tǒng)主要由飛行控制器、傳感器(或敏感元件)、舵機(jī)3部分組成。無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖2所示。

飛行控制器是以SmartFusion為核心的控制計(jì)算機(jī)，它是無(wú)人機(jī)的中央控制單元，負(fù)責(zé)飛機(jī)上各個(gè)單元的協(xié)調(diào)工作，并與地面站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)根據(jù)控制算法和地面站的命令，保持飛機(jī)以一定的姿態(tài)飛行。
傳感器包括電子羅盤(pán)、角速率傳感器、高度傳感器、加速度計(jì)和GPS接收機(jī)等。電子羅盤(pán)選用霍尼韋爾HMR3300，它可以測(cè)量航向、傾角和翻滾角，輸出方式為SPI串行輸出。角速率傳感器采用的是ADI公司的ADXRS300，其輸出電壓與偏航角速率成正比。高度傳感器選擇利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)原理制造的MPX4115A大氣壓力傳感器。加速度計(jì)采用的是ADI公司的ADXL203，它是電容式加速度計(jì)，具有高精度、高穩(wěn)定性和低功耗等特點(diǎn)，輸出電壓經(jīng)信號(hào)調(diào)理后正比于加速度值。GPS接收機(jī)選用GPS-G03A(H)，它是一款超低功耗的GPS天線接收一體機(jī)，可給出經(jīng)緯度，時(shí)間和速度等信息，以RS 232串口形式傳輸數(shù)據(jù)。
舵機(jī)包括升降舵、方向舵、副翼。舵機(jī)的控制信號(hào)是脈寬調(diào)制信號(hào)，便于和飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行接口。

2 飛控計(jì)算機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)
無(wú)人機(jī)的飛行控制計(jì)算機(jī)是無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的核心，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。它的功能主要由SmartFusion單芯片最小系統(tǒng)及外圍電路實(shí)現(xiàn)，另外還有一個(gè)電源模塊用來(lái)提供系統(tǒng)所需的各類(lèi)電壓和對(duì)供電電池進(jìn)行管理。

SmartFusion系列結(jié)合了邏輯、微控制器子系統(tǒng)(MSS)和可編程模擬模塊，即帶有Actel經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的FPGA架構(gòu)和基于ARM Cortex-M3硬核處理器子系統(tǒng)，以及可編程FLASH模擬模塊。實(shí)現(xiàn)易于使用的完全可定制系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，使嵌入式設(shè)計(jì)人員無(wú)需進(jìn)行線路板級(jí)改變，就能夠快速優(yōu)化硬件／軟件并折中權(quán)衡。在SmartFusion器件內(nèi)，所有數(shù)據(jù)都會(huì)從處理器傳送到FPGA，或從模擬模塊傳送到處理器，或在FPGA和片上模擬模塊之間傳送。此外，Actel的FLASHLock技術(shù)也提供了出色的IP安全保障。