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簡析某型無人機飛行控制計算機硬件設(shè)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(tǒng)的核心，考慮飛行控制系統(tǒng)的功能和受到無人機對體積和重量等條件約束，所研制的飛行控制計算機選用TI 公司的高性能處理芯片TMS320F28335 作為飛行控制計算機的微處理器芯片，該芯片是一款TMS320C28X 系列浮點DSP 控制器， 具有功耗小，成本低，精度高，外設(shè)集成度高，性能高，數(shù)據(jù)以及程序存儲量大，A/D 轉(zhuǎn)換精確快速等優(yōu)點， 并具有TI 公司所開發(fā)的功能強大的CCS 軟件平臺。無人機發(fā)動機整流后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(tài)下，發(fā)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(fā)動機出現(xiàn)故障時供電。
2 主要功能模塊設(shè)計
2.1 DSP 最小系統(tǒng)模塊
保證DSP 正常工作所需的最小外圍電路稱為DSP 最小系統(tǒng)，包括DSP 內(nèi)核、ADC 模塊、BOOT 啟動選擇、I/O 供電模塊、電源模塊以及JTAG 調(diào)試模塊等。
DSP 最小系統(tǒng)的供電系統(tǒng)選用TI 公司的TPS767D301雙電源芯片，其中DSP 內(nèi)核模塊供電為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(jīng)過5 倍頻放大達到150 MHz;選用MAX6021A 作為ADC 的外部參考電壓，產(chǎn)生2.048 V 的基準電壓，使ADC 模塊的精度達到12 位;方便系統(tǒng)從串口燒寫程序，BOOT 啟動可以從SCI 或者FLASH啟動。
2.2 模擬量信號調(diào)理模塊
多路傳感器輸出的開關(guān)量、頻率信號、電壓信號及電阻信號是經(jīng)過模擬量信號調(diào)理模塊電路進行濾波和放大處理，從而調(diào)理成適合計數(shù)器所需的脈沖的信號和A/D 器件采樣電平的信號。
模擬量輸出的信號包括俯仰、滾轉(zhuǎn)、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信號;由于電壓輸出范圍為-10V~+10V， 而DSP 內(nèi)部ADC 模塊采集模擬量的范圍是0~+3 V，因此需將-10~+10 V 電壓轉(zhuǎn)換成0~+3 V。為實現(xiàn)模擬信號調(diào)理，設(shè)計采用通過加法器進行平移和運放進行衰減。
2.3 數(shù)字量輸入/輸出模塊
無人機飛行控制系統(tǒng)中的數(shù)字量輸出信號包括紅外增強器以及誘餌彈等任務(wù)設(shè)備投放信號、發(fā)動機啟動/停車信號，這些功能的執(zhí)行機構(gòu)由繼電器實現(xiàn)。繼電器的控制電平為24 V， 選用8 通道的ULN2803 驅(qū)動離散數(shù)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(shù)字量輸出信號的3.3 V 電平轉(zhuǎn)換為5 V， 以驅(qū)動ULN2803 的輸出。數(shù)字量輸入信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(shù)字量輸入信號進行電平轉(zhuǎn)換。
2.4 DA 輸出模塊
飛控系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的控制信號采用模擬量信號，主要是輸出指令給舵機，進而舵機的伺服電路驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。飛控系統(tǒng)包括油門舵機、縱向舵機、橫向舵機和航向舵機，這些舵機的控制信號范圍為-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，它支持輸出電壓范圍為-12~+12 V，雙極性輸出，功耗為14.4 mW/Ch，8 通道，誤差為±1LSB，采用SPI 總線通訊接口，精度達到1LSB，設(shè)置時間為15 μs，12 位分辨率。
2.5 串行通信擴展模塊
飛行控制系統(tǒng)的通訊設(shè)備有GPS 模塊、組合導航和無線數(shù)傳電臺等，它的通信接口都為RS232。飛控系統(tǒng)需進行半實物仿真和測試，但半實物在回路測試和仿真的通信接口都為RS422， 因此需要2 路RS422 和3 路RS232 通信接口。DSP 只有3 路SCI，采用TL16C754 擴展四路串口，同時保證TTL 電平和RS422 或者RS232 電平進行匹配， 采用SP3232和MAX3490 芯片進行全雙工的串行接口轉(zhuǎn)換。
2.6 捷聯(lián)航姿系統(tǒng)模塊
捷聯(lián)航姿系統(tǒng)是捷聯(lián)姿態(tài)航向參考系統(tǒng)的簡稱，它是將慣性器件直接固定連接在載體上，載體坐標系相對于慣性坐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(zhuǎn)、俯仰為載體的實時運動姿態(tài)，其信息可通過傳感器的數(shù)據(jù)融合算法進行解算。飛行控制計算機模板和捷聯(lián)航姿系統(tǒng)所需的磁羅盤、陀螺儀、加速度計等傳感器固定連接，即飛行控制計算機和捷聯(lián)航姿系統(tǒng)進行一體化設(shè)計。
捷聯(lián)航姿系統(tǒng)包括陀螺儀、加速度計和磁羅盤等模塊。飛行控制計算機對系統(tǒng)對傳感器采集到的三維角速度、加速度、磁場分量進行數(shù)據(jù)融合并計算出四元數(shù)，進而反解出三維的姿態(tài)角，供飛行控制系統(tǒng)讀取姿態(tài)。
2.7 氣壓高度計模塊
為了保證飛行控制系統(tǒng)的準確性和可靠性，采用慣性測量單元、氣壓高度計和GPS 3 個傳感器信號，進行信息融合后得到的高度信息作為飛行控制律運算的高度反饋信號，提高系統(tǒng)高度測量的準確性和可靠性。采用博世科技公司的BMP085 氣壓傳感器，具有精度高、體積小和成本低等特點。BMP085 是一款超低功耗、高精度的壓力傳感器，性能卓越，功耗低，只有3 μA，絕對精度最低可以達到0.03 hPa。
2.8 鐵電存儲器擴展模塊
無人機飛行控制系統(tǒng)的軟件程序在飛行前需要配置許多參數(shù)，如航路的航點數(shù)據(jù)。鐵電存儲器擴展模塊中存儲參數(shù)，參數(shù)的配置是通過上位機軟件通過串口通訊實時進行的，其還可以對飛行狀態(tài)信息進行實時存儲， 這些飛行信息對飛行狀態(tài)的后續(xù)分析，有很大幫助，尤其在無人機出現(xiàn)故障甚至引起墜機等意外事件， 所存儲飛行前的飛行數(shù)據(jù)有助于查找事故原因。
基于總線接口和數(shù)據(jù)存儲空間的兩個因素， 鐵電RAM 選定了FM24V10 作為數(shù)據(jù)記錄載體，其具有高速I2C總線接口，1M 位存儲空間， 它可直接與飛行控制計算機的I2C 模塊相接。
3 結(jié)束語
無人機飛行控制計算機是飛行控制系統(tǒng)軟件得以運行的載體，筆者著重從飛行控制計算機硬件的各個具體模塊進行了研究，設(shè)計并開發(fā)了飛行控制計算機。該飛行控制計算機成功應(yīng)用于某型無人機的飛行試驗中，實驗和測試結(jié)果表明該飛行控制計算機設(shè)計合理。
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