基于SmartFusion的无人机飞行控制系统设计

摘要：为了使无人机飞行控制系统具有强大的数据处理能力、较低的功耗、较强的灵活性和更高的集成度，提出了一种以SmartFusion为核心的无人机飞行控制系统解决方案。为满足飞控系统实时性和稳定性的要求，系统采用了μC／OS-Ⅱ实时操作系统。与传统的无人机飞行控制系统相比，在具有很强的数据处理能力的同时拥有较小的体积和较低的功耗。多次飞行证明，各个模块设计合理，整个系统运行稳定，可以用作下一代无人机高性能应用平台。
关键词：无人机；飞行控制系统；SmartFusion芯片；μC／OS-Ⅱ

0 引言
    飞行控制系统是无人机的重要组成部分，是飞行控制算法的运行平台，它的性能好坏直接关系着无人机能否安全可靠的飞行。随着航空技术的发展，无人机飞行控制系统正向着多功能、高精度、小型化、可复用的方向发展。高精度要求无人机控制系统的精度高，稳定性好，能够适应复杂的外界环境，因此控制算法比较复杂，计算速度快，精度高；小型化则对控制系统的重量和体积提出了更高的要求，要求控制系统的性能越高越好，体积越小越好。此外，无人机飞行控制系统还要具有实时、可靠、低成本和低功耗的特点。基于以上考虑，本文从实际工程应用出发，设计了一种基于SmartFusion的无人机飞行控制系统。

1 飞控系统总体设计
    飞行控制系统在无人机上的功能主要有两个：一是飞行控制，即无人机在空中保持飞机姿态与航迹的稳定，以及按地面无线电遥控指令或者预先设定好的高度、航线、航向、姿态角等改变飞机姿态与航迹，保证飞机的稳定飞行，这就是通常所谓的自动驾驶；二是飞行管理，即完成飞行状态参数采集、导航计算、遥测数据传送、故障诊断处理、应急情况处理、任务设备的控制与管理等工作。
    飞行控制系统主要完成3个功能任务，其层次构成为三层：最底层的任务是提高无人机运动和突风减缓的固有阻尼——三个轴方向的阻尼器功能；第2层的任务是稳定无人机的姿态角——基本驾驶仪的功能(主要进行角运动控制)；第3层的任务是控制飞行高度、航迹和飞行速度，实现较高级自动驾驶功能。飞行控制系统原理框图见图1。

    由上述分析易知，飞行控制系统主要由飞行控制器、传感器(或敏感元件)、舵机3部分组成。无人机飞行控制系统的基本架构如图2所示。

    飞行控制器是以SmartFusion为核心的控制计算机，它是无人机的中央控制单元，负责飞机上各个单元的协调工作，并与地面站之间进行数据传输。同时根据控制算法和地面站的命令，保持飞机以一定的姿态飞行。
    传感器包括电子罗盘、角速率传感器、高度传感器、加速度计和GPS接收机等。电子罗盘选用霍尼韦尔HMR3300，它可以测量航向、倾角和翻滚角，输出方式为SPI串行输出。角速率传感器采用的是ADI公司的ADXRS300，其输出电压与偏航角速率成正比。高度传感器选择利用半导体材料的压阻效应原理制造的MPX4115A大气压力传感器。加速度计采用的是ADI公司的ADXL203，它是电容式加速度计，具有高精度、高稳定性和低功耗等特点，输出电压经信号调理后正比于加速度值。GPS接收机选用GPS-G03A(H)，它是一款超低功耗的GPS天线接收一体机，可给出经纬度，时间和速度等信息，以RS 232串口形式传输数据。
    舵机包括升降舵、方向舵、副翼。舵机的控制信号是脉宽调制信号，便于和飞控计算机进行接口。

2 飞控计算机硬件电路设计
    无人机的飞行控制计算机是无人机飞行控制系统的核心，其硬件结构如图3所示。它的功能主要由SmartFusion单芯片最小系统及外围电路实现，另外还有一个电源模块用来提供系统所需的各类电压和对供电电池进行管理。

    SmartFusion系列结合了逻辑、微控制器子系统(MSS)和可编程模拟模块，即带有Actel经过验证的FPGA架构和基于ARM Cortex-M3硬核处理器子系统，以及可编程FLASH模拟模块。实现易于使用的完全可定制系统设计平台，使嵌入式设计人员无需进行线路板级改变，就能够快速优化硬件／软件并折中权衡。在SmartFusion器件内，所有数据都会从处理器传送到FPGA，或从模拟模块传送到处理器，或在FPGA和片上模拟模块之间传送。此外，Actel的FLASHLock技术也提供了出色的IP安全保障。
    SmartFusion的主要特点和功能体现在：
    (1)功能齐全的FPGA。SmartFusion器件具有Actel经过验证的基于快速闪存技术ProASIC3 FPGA架构，使用先进的130 nm七层快闪CMOS工艺技术，系统门密度范围为60K～500K，并具有350 MHz的工作频率和最多204个I／O。这种组合能够集成来自其他器件的现有功能，大幅减少线路板空间和总体系统的功耗。
    (2)微控制器子系统。器件的智能性是以微控制器子系统的形式加入FPGA的，子系统带有100 MHz工作频率的ARM Cortex-M3处理器硬核，全部标准外设和功能包括：多层AHB通信矩阵，吞吐率高达16 Gb／s，带有RMI接口的10M／100M以太网MAC和SPI，I2C，UART和32位定时器。具有最高512 KB闪存，64 KB SRAM和外部存储器控制器(EMC)以及8通道DMA控制器。
    (3)可编程模拟模块。创新性专有模拟计算引擎(ACE)能执行采样排序和计算，能够分担ARM Cortex-M3处理器的模拟初始化和处理任务，可编程模拟包括：精度为1％的ADC和DAC，多达3个采样频率为600KS／s的12位ADC，最多3个12位第一阶DAC、10个50 ns高速比较器并集成多种温度、电压和电流监控功能。
    在这里，选用SmartFusion系列的A2F200M3作为核心芯片。它的MSS的主要功能是保持与地面站的通讯，采集姿态角数据和GPS定位数据，发送控制命令给FPGA，运行相关的飞行控制算法和导航控制算法等。FPGA架构的主要功能是采集与测量传感器的数据，接收MSS的命令与驱动舵机。FPGA分担了一部分原可以采用MSS来实现的任务，使MSS有更多的时问用于运行算法，以提高系统的整体性能。
    外围接口电路主要由RS 232接口、GPS接口、SD卡接口、传感器信号采集通道、发动机转速测量通道、电池电压检测通道等组成。GPS和PC串口连接均需要1片MAX232芯片进行电平转换。SD卡用于存放飞行参数及图像数据。MSS与FPGA之间可通过GPIO进行数据传输。舵机驱动、无线接收机信号检测、信号控制等功能均由芯片的内部逻辑电路来实现，采用VerilogHDL语言编写。鉴于飞行控制和导航精度的要求，该模块选用了TI公司的A／D芯片TLC3548，用来采集三轴加速度计、高度传感器、三角速率陀螺输出的电压信号。A／D、驱动组成框图如图4所示。

3 软件设计
    由于飞控计算机运行的程序复杂，信息量大，对实时性和稳定性要求高，采用单任务顺序机制的编程方式已不能满足飞控系统的要求，因此飞控软件采用了实时嵌入式操作系统μC／OS-Ⅱ。μC／OS-Ⅱ是专门为计算机的嵌入式应用而设计的实时操作系统，是可裁减的、基于静态优先级的可剥夺型多任务实时内核，具有高度可移植性，特别适合于微处理器和微控制器，其实时性能和内核的健壮性已在大量的实际应用中得到了证实。

    飞控系统的应用程序分为初始化模块、数据采集模块、控制解算模块、姿态读取模块、GPS接收模块、遥测发送模块、控制量输出模块。任务与功能模块资源之间的关系如图5所示。飞行控制系统开始运行时，飞控计算机在完成自检后，首先进行惯性导航系统的初始对准及任务诸元装订，接收初始对准装置发送的初始姿态和位置信息，然后等待控制系统的启动命令。飞控系统启动后进行初始化设置，根据任务优先级、调用相应的程序模块完成预定任务，各个任务之间的公共数据采用共享变量的方式进行协同，但需要采取一定的保护措施。

4 结语
    基于SmartFusion的无人机飞控系统具有体积小，精度高，运算速度快，可剪裁性的优点，特别是软件上采用μC／OS-Ⅱ实时操作系统，使飞控系统具有实时性的特点。该飞控系统已在某型无人机上得到了应用，飞行验证表明系统设计满足要求。本文设计的飞控系统具有一定的工程应用价值，为飞控系统的设计提供了借鉴。