TOP1 無人機遙感控制平臺電路

　　無人機相比較衛(wèi)星和載人航空飛機遙感平臺而言，具有成本低、靈活性高的特點。為了滿足科學遙感實驗、完成遙感作業(yè)任務(wù)、協(xié)調(diào)無人機電子吊艙中多組件工作、控制遙感影像傳感器姿態(tài)，系統(tǒng)以AT89S52為主控芯片，擴展多路串口及USB接口以實現(xiàn)系統(tǒng)與外圍設(shè)備的通信，同時設(shè)計了相機驅(qū)動模塊及三自由度步進電機驅(qū)動模塊。通過無人機航空遙感實驗證明該系統(tǒng)能夠滿足遙感實驗要求。

　　USB接口擴展電路設(shè)計

　　USB口擴展由CH375芯片實現(xiàn)。CH375是USB總線的通用接口芯片。它的主要特點是價格便宜、接口方便、可靠性高。支持 USB-HOST主機方式和USB-DEVICE／SLAVE設(shè)備方式。CH375的USB主機方式支持常用的USB全速設(shè)備，外部單片機需要編寫固件程序按照相應(yīng)的USB協(xié)議與USB設(shè)備通信。但是對于常用的USB存儲設(shè)備，CH375的內(nèi)置固件可以自動處理Mass-Storage海量存儲設(shè)備的專用通信協(xié)議，通常情況下，外部單片機不需要編寫固件程序．就可以直接讀寫USB存儲設(shè)備中的數(shù)據(jù)。CH375和單片機的通信有2種方式：并行方式和串行方式。USB擴展電路原理圖如圖3所示，CH375芯片設(shè)置為內(nèi)置固件模式，使用12 MHz晶體。單片機P0口與CH375的D0～D7相連作為數(shù)據(jù)總線，譯碼器輸出CH375的相連片選該芯片，單片機A0與CH375的A0相連，可選擇 CH375的地址或是數(shù)據(jù)輸入與輸出。當A0為高電平是D0～D7的傳輸?shù)氖堑刂?，低電平時傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)。P3．6和P3．7分別控制CH375的讀寫操作。CH375接單片機輸入端，當有數(shù)據(jù)通過USB口輸入時產(chǎn)生中斷信號，通知單片機進行數(shù)據(jù)處理。當CH375芯片初始化后并成功與主機連通之后，指示燈亮。

　　步進電機驅(qū)動電路

　　穩(wěn)定云臺控制即為三自由度步進電機控制，即控制遙感傳感器的俯仰角、橫滾角和航向角使穩(wěn)定云臺保持水平（或垂直）狀態(tài)。步進電機驅(qū)動由THB6128芯片實現(xiàn)，單片機只需輸出步進電機運行方向和脈沖信號即可達到控制步進電機的目的。

　　THB6128是高細分兩相混合式步進電機驅(qū)動專用芯片，通過單片機輸出控制信號，即可設(shè)計出高性能、多細分的驅(qū)動電路。其特點為雙全橋 MOSFET驅(qū)動，低導通電阻Ron=0．55 Ω，最高耐壓36 V，大電流2．2 A（峰值），多種細分可選，最高可達128細分，具有自動半流鎖定功能，快衰、慢衰、混合式衰減3種衰減方式可選，內(nèi)置溫度保護及過流保護。圖4為航向角步進電機驅(qū)動電路，俯仰角、橫滾角步進電機驅(qū)動與之相同。圖中CP1與U／D分別為單片機給出的驅(qū)動脈沖與電機運行方向控制信號。M1，M2，M3為電機驅(qū)動細分數(shù)選擇信號輸入，由撥碼開關(guān)人為控制。FDT1與VREG1分別為衰減模式選擇電壓與電流控制電壓輸入端。當3．5 V時為慢衰減模式；當為混合衰減模式；當FDT1《0．8 V時為快衰減模式。調(diào)整VREG1端電壓即可設(shè)定步進電機驅(qū)動電流值。

　　CCD／相機驅(qū)動電路設(shè)計

　　CCD／相機驅(qū)動由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS221和光耦合器P521實現(xiàn)。74LS221既可以下降沿觸發(fā)也可上升沿觸發(fā)，且都可以禁止輸出。其輸出的脈寬通過內(nèi)部補償獲得而不受外部電壓和穩(wěn)定影響，在大多數(shù)應(yīng)用中，脈寬只由外接的時控元件決定。CCD／相機驅(qū)動電路如圖5所示。圖示參數(shù)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器高電平持續(xù)時間約為33 ms，可根據(jù)相機的實際曝光時間的需要，改變電路的充電時間常數(shù)RC來調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)時間的長短。圖中Camera為單片機P3．5口，當其為下降沿時，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平，此高電平作用于光耦合器P521的二極管端，從而觸發(fā)三極管端導通，進而觸發(fā)相機快門。P521的輸出端串接一個10kΩ的電阻，防止導通時電流過大而損壞相機。

　　數(shù)據(jù)存儲模塊由AT24C512實現(xiàn)，單片機P3．0，P3．1口分別與AT24C512的SCL、SDL端口相連，并接入上拉電阻，模擬 I2C總線擴展 64 KB E2PROM數(shù)據(jù)存儲器。SRAM擴展由IDT6116SA芯片實現(xiàn)，擴展2 KB用于緩存單片機計算過程中的臨時數(shù)據(jù)。系統(tǒng)輸入電壓為12 V直流電，電源模塊采用7805與7805兩片三端穩(wěn)壓器串接，降低單片穩(wěn)壓器兩端的壓降，獲得平穩(wěn)的+5 V電壓。|

　　通過實驗證明本系統(tǒng)可以較好的滿足無人機航空遙感平臺機載作業(yè)控制的要求，可以協(xié)調(diào)電子吊艙的各個組件工作，控制相機的姿態(tài)，實時下傳機載作業(yè)數(shù)據(jù)，使用的I／O口較少，USB接口的擴展解決了當前許多筆記本電腦不具備COM口的問題，在野外實驗時亦可及時的處理作業(yè)系統(tǒng)中的照片信息數(shù)據(jù)。單片機仍還有較多的資源可以利用，可方便系統(tǒng)的升級，但同時也受到微處理器數(shù)據(jù)處理能力的限制。

線下活動提醒：【嵌入式應(yīng)用技術(shù)沙龍】以火爆無人機為引，深窺嵌入式應(yīng)用在四軸無人機電機控制中的技術(shù)要領(lǐng)。

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　　TOP2 嵌入式無人機控制系統(tǒng)硬件電路

　　在無人機飛行控制系統(tǒng)中，飛行控制器是其核心部件，它負責飛行控制系統(tǒng)信號的采集、控制律的解算、飛機的姿態(tài)和速度，以及與地面設(shè)備的通訊等工作。隨著無人機越來越廣泛的應(yīng)用，它所完成的任務(wù)也越來越復雜，對無人機的機動性要求也越來越高，這就要求無人機的控制核心向高集成度和小型化方向發(fā)展。本文以586-Engine 嵌入式芯片為核心，設(shè)計了某型無人機的飛行控制器?；贏MD Elan SC520處理器的微控制模塊，具有高可靠性、結(jié)構(gòu)緊湊以及低功耗等特點，它同時具有功能強大的調(diào)試軟件。586-Engine的主要參數(shù)指標如下：

　　（1）CPU為32位AMD Elan SC520，主頻為133MHz;（2）具有高性能的浮點運算單元，支持正弦、正切、對數(shù)等復雜運算，非常適合需要復雜運算的應(yīng)用。（3）配置512KB 的SRAM，512KB的Flash，114字節(jié)內(nèi)部RAM;（4）支持15個外部中斷。共有7個定時器，包括一個可編程內(nèi)部定時器，提供3個16位內(nèi)部定時器和3個16位GP定時器，再加上一個軟件定時器。這些定時器支持外部事件的計時和計數(shù)。軟件定時器提供微秒級的硬件時間基準。（5）提供32路可編程I/O，2個UART.共有19路12位A/D輸入，包括11路ADC串行輸入和8路并行ADC，轉(zhuǎn)換頻率為300kHz；6路D/A輸出，包括2個串行輸出DAC和4個輸出并行12位DAC，轉(zhuǎn)換頻率為200kHz。（6）工作溫度為-40℃~80℃，尺寸為91.4mm&TImes;58.4mm&TImes;7.6mm。

　　飛行控制器硬件設(shè)計

　　該型無人機是為海軍野戰(zhàn)部隊提供通訊中繼用途的中型輪式無人機，其飛行控制器是一個單獨裝箱的小型航空機載電子設(shè)備，由DC/DC直流電源變換板、計算機主機板、模擬量通道板、開關(guān)量通道板和舵機控制板組成，全部模板通過母板上的總線方式連接，以減小尺寸，提高集成度。

　　該飛行控制器需要與GPS、磁航向計和無線電高度表等進行通訊，共需5個串口。而586-Engine主板只提供2個串口，分別供地面檢測和測控電臺使用，因此需要進行串口擴展。串口擴展電路如圖3所示。

　　串口擴展電路中采用TL16C754四通道UART并-串轉(zhuǎn)換器件，將8位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成4路串行輸出，外加MAX202和MAX489電平轉(zhuǎn)換芯片，擴展了2個RS232串口和2個RS422串口，可滿足飛行控制器的硬件需求。

　　D/A轉(zhuǎn)換硬件電路設(shè)計

　　此型無人機采用模擬舵機，共需6路D/A通道產(chǎn)生PWM信號來驅(qū)動舵機。586-Engine主板總共提供8路D/A，其中4路12位并行 D /A（DA7625）分別控制升降舵機、左右副翼舵機和方向舵機，2路12位串行D/A（LTC1446）控制前輪舵機和油門舵機。由于DA7625的輸出電壓范圍為0~2.5V，LTC1446輸出電壓范圍為0~4.096V，而舵機工作電壓為-10~10V，因此需要對信號進行放大和電平平移。D/A 電平平移電路如圖所示。

　　由圖可知，D/A電平轉(zhuǎn)換原理是在運放輸入端采用加法電路，將輸入信號與基準電平比例相加，得到適合采樣的電壓范圍。關(guān)于A/D采集，586- Engine主板上自帶的19路12位的A/D接口完全滿足飛控系統(tǒng)通道數(shù)和轉(zhuǎn)換精度的要求，這些A/D接口分別采集氣壓高度表的數(shù)據(jù)，無人機機載電壓、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和溫度、油門開度等。這些信號發(fā)往地面測控計算機，為操作人員對無人機工作狀態(tài)進行監(jiān)控提供了基礎(chǔ)。關(guān)于I/O控制，586- Engine主板上提供了32個16位可編程數(shù)字I/O口，用于采集發(fā)動機啟動信號、傘艙打開信號等，并輸出開關(guān)量信號控制其它設(shè)備，控制無人機起飛與回收過程。

　　電源模塊硬件電路設(shè)計

　　飛行控制器的電源模塊電路給飛行控制器提供干凈穩(wěn)定的供電電壓，用來保證飛行控制器正常工作。電源模塊電路的設(shè)計好壞直接影響飛行控制器運行的穩(wěn)定性和可靠性。該型無人機由于對尺寸有一定的要求，同時考慮到可靠性與成本，因此在設(shè)計時選用了成熟的標準模塊電源，外接少量器件即可工作。飛行控制器供電模塊電路如圖5所示。

　　其中，采用24T05D12模塊電源作為供電電路的主芯片，提供的功率為30W，輸入電壓范圍為18V~36V，具有三路電源輸出：+5V 和±12V，為機載傳感器和舵機進行供電。嵌入式芯片的使用，減小了飛行控制器的體積與重量，實現(xiàn)了飛行控制器小型化、高集成度的設(shè)計目標；自行設(shè)計的串口擴展電路、舵機控制板等降低了研制成本，滿足了項目需求方的要求?？梢灶A(yù)見，586-Engine特有的功能以及較高的性價比將在無人機飛行控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

　　TOP3 UAV電源管理系統(tǒng)電路

　　由于在民用及國防等諸多領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用， 空中機器人技術(shù)已經(jīng)越來越被人們所重視， 并吸引了各國專家學者的注意。小型旋翼機器人是以模型直升機為載體， 裝備上傳感器單元， 控制單元和伺服機構(gòu)等裝置以實現(xiàn)自主飛行。而為了提高飛機的安全性， 需要設(shè)計一套設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)， 實時的監(jiān)測飛機的姿態(tài)信息， 機載設(shè)備的狀況以及電源的情況等。

　　該平臺所使用的電源是兩節(jié)鋰電池串聯(lián)組成的電池組， 利用鋰離子電池的充放電特性， 設(shè)計了一套以mega16l 為核心的充放電管理系統(tǒng)。鋰電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點， 與鎳鎘電池、鎳氫電池不太一樣的是必須考慮充電、放電時的安全性，以防止特性劣化。因此在系統(tǒng)運行過程中， 為了保護鋰電池的安全， 設(shè)計了一套欠壓保護電路， 以防止電源管理系統(tǒng)因過用而發(fā)生電池特性和耐久性特性劣化。

　　電源管理系統(tǒng)總體框架

　　無人機電源管理系統(tǒng)是飛機實現(xiàn)自主飛行的重要組成部分， 其大致框架如圖1 所示。在該系統(tǒng)中， 利用AXI 公司生產(chǎn)的2212/ 34 型號發(fā)電機將動能轉(zhuǎn)換為220V 交流電， 再經(jīng)過整流穩(wěn)壓后輸出11.6V 的直流電壓， 可由該輸出電壓為兩節(jié)鋰電池充電。電源管理系統(tǒng)的控制器是meg a161單片機， 該控制器通過檢測兩節(jié)鋰電池的電壓大小從而控制繼電器開關(guān)來對電池進行充放電管理。

　　圖1 電源管理系統(tǒng)框架

　　控制器采集到電源系統(tǒng)中的信息后， 通過無線傳輸設(shè)備將該數(shù)據(jù)實時傳輸給地面。地面監(jiān)控平臺還可以發(fā)送一些指令給mega16l， 通過控制繼電器開關(guān)來控制電池充放電， 從而實現(xiàn)監(jiān)測和控制飛機的目的。機上電源模塊由兩節(jié)英特曼電池有限公司生產(chǎn)的鋰電池組成， 電池組電量充足時電壓為8？？ 4V.電池的荷電量與整個供電系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān)， 電池剩余電量越多， 系統(tǒng)的可靠性越高， 因此飛行時能實時獲得電池的剩余電量， 這將大大提高飛機的可靠性。

　　電源監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　直升機能順利完成飛行任務(wù)， 充足的電源供應(yīng)不可或缺。

　　由鋰電池的特性可知， 在過度放電的情況下， 電解液因分解而導致電池特性劣化并造成充電次數(shù)降低。因此為了保護電池的安全， 電源系統(tǒng)在給控制系統(tǒng)供電前要經(jīng)過欠壓保護模塊和穩(wěn)壓模塊。為了預(yù)測電源系統(tǒng)中剩余的電量， 這里采用檢測電源系統(tǒng)電壓的方法， 在測得系統(tǒng)的電源電壓后， 查找由放電曲線建立的數(shù)據(jù)庫， 就能估計出電源系統(tǒng)中所剩余的電量。

　　單片機所需要的電源電壓是2. 7 ~ 5.5V， 因此可為meg a16l 設(shè)計外部基準電壓為2.5V， 該基準穩(wěn)壓電路如圖2所示。所以系統(tǒng)要檢測電池的電壓， 需要將電池用電阻進行分壓且最大分得的電壓值不能超過2.5V.控制器測得的電壓值乘上電壓分壓縮小的倍數(shù)后， 就能得到電源系統(tǒng)中的實時電壓。時刻監(jiān)測鋰電池的用電情況， 防止電池過用現(xiàn)象出現(xiàn)， 就能達到有效使用電池容量和延長壽命的目的。

　　圖2 基準電壓電路

　　直流無刷電機電路

　　無刷直流電機是由電動機主體和驅(qū)動器組成， 是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。直流無刷電機與一般直流電機具有相同的工作原理和應(yīng)用特性， 而其組成是不一樣的， 除了電機本身外， 前者還多一個換向電路， 直流無刷電動機的電機本身是機電能量轉(zhuǎn)換部分， 它除了電機電樞、永磁勵磁兩部分外， 還帶有傳感器。該發(fā)電機的部分AC-DC 電路如圖3 所示。

　　圖3 無刷電機AC-DC 電路

　　充電電路

　　鋰離子電池的充電特性和鎳鎘、鎳氫電池的充電特性有所不同， 鋰離子電池在充電時， 電池電壓緩慢上升， 充電電流逐漸減小， 當電壓達到4.2V 左右時， 電壓基本不變， 充電電流繼續(xù)減小。因此對于改型充電器可先用先恒流后恒壓充電方式進行充電， 具體充電電路如圖4 所示。該電路選用LM2575ADJ 組成斬波式開關(guān)穩(wěn)壓器， 最大充電電流為1A.

　　圖4 高效開關(guān)型恒流/ 恒壓充電器部分電路

　　該電路工作原理如下： 當電池接入充電器后， 該電路輸出恒定電流， 對電池充電。該充電器的恒流控制部分由雙運放LM358 的一半、增益設(shè)定電阻R3 和R4 、電流取樣電阻R5 和1. 23V 反饋基準電壓源組成。剛接入電池后， 運放LM358 輸出低電平， 開關(guān)穩(wěn)壓器LM2575-ADJ 輸出電壓高， 電池開始充電。當充電電流上升到1A 時， 取樣電阻R5 （50m 歐） 兩端壓降達到50mV， 該電壓經(jīng)過增益為25 的運放放大后， 輸出1.23V 電壓， 該電壓加到LM2575 的反饋端， 穩(wěn)定反饋電路。

　　當電池電壓達到 8.4V 后， LM3420 開始控制LM2575ADJ 的反饋腳。LM3420 使充電器轉(zhuǎn)入到恒壓充電過程， 電池兩端電壓穩(wěn)定在8？？ 4V.R6 、R7 和C3 組成補償網(wǎng)絡(luò)， 保證充電器在恒流/ 恒壓狀態(tài)下穩(wěn)定工作。若輸入電源電壓中斷， 二極管D2 和運放LM358 中的PNP 輸入級反向偏置， 從而使電池和充電電路隔離， 保證電池不會通過充電電路放電。當充電轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)時， 二極管D3 反向偏置， 因此運放中不會產(chǎn)生灌電流。

　　TOP4 電源欠壓保護電路

　　電源欠壓保護由鋰電池的電池放電特性易知， 當電池處于3.5V 時， 此時電池電量即將用完， 應(yīng)及時給電池充電， 否則電池電壓將急劇下降直至電池損壞。于是設(shè)計了一套欠壓保護電路如圖5 所示， 利用電阻分壓所得和由TL431 設(shè)計的基準電壓比較， 將比較結(jié)果送人LM324 放大電路進而觸發(fā)由三極管構(gòu)成的開關(guān)系統(tǒng)， 從而控制負載回路的通阻。試驗證明， 當系統(tǒng)電壓達到臨界危險電壓7V 時， 系統(tǒng)的輸出電流僅為4mA， 從而防止了系統(tǒng)鋰電池過度放電現(xiàn)象的產(chǎn)生。

　　圖5 欠壓保護電路

　　由于鋰離子電池能量密度高， 因此難以確保電池的安全性。在過度充電狀態(tài)下， 電池溫度上升后能量將過剩， 于是電解液分解而產(chǎn)生氣體， 因內(nèi)壓上升而發(fā)生自燃或破裂的危險；反之， 在過度放電狀態(tài)下， 電解液因分解導致電池特性及耐久性劣化， 從而降低可充電次數(shù)。該充電電路和本管理系統(tǒng)能有效的防治鋰電池的過充和過用， 從而確保了電池的安全， 提高鋰電池的使用壽命。

　　本文設(shè)計了一套UAV 電源管理系統(tǒng)， 該系統(tǒng)具有自動控制充放電管理， 實時監(jiān)測電池電壓等功能。該系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過調(diào)試和試驗驗證了其可行性， 但是為了保證飛機安全， 還要做更多的試驗以保證無人機自主飛行的安全和穩(wěn)定。除此之外， 高低頻濾波， 電池電量預(yù)測等也是重要的方向， 需要深入的研究?，F(xiàn)今， 鋰電池的使用范圍越來越廣， 其價格也相對適中，如果掌握先進的科學的使用方法， 讓鋰電池發(fā)揮應(yīng)有的最大效用， 將會節(jié)省大量的資源和財富。

　　小型無人機飛控系統(tǒng)設(shè)計詳解

　　小型無人機在現(xiàn)代軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越廣泛。在經(jīng)歷了早期的遙控飛行后，目前其導航控制方式已經(jīng)發(fā)展為自主飛行和智能飛行。導航方式的改變對飛行控制計算機的精度提出了更高的要求；隨著小型無人機執(zhí)行任務(wù)復雜程度的增加，對飛控計算機運算速度的要求也更高；而小型化的要求對飛控計算機的功耗和體積也提出了很高的要求。高精度不僅要求計算機的控制精度高，而且要求能夠運行復雜的控制算法，小型化則要求無人機的體積小，機動性好，進而要求控制計算機的體積越小越好。

　　在眾多處理器芯片中，最適合小型飛控計算機CPU的芯片當屬TI公司的TMS320LF2407，其運算速度以及眾多的外圍接口電路很適合用來完成對小型無人機的實時控制功能。它采用哈佛結(jié)構(gòu)、多級流水線操作，對數(shù)據(jù)和指令同時進行讀取，片內(nèi)自帶資源包括16路10位A／D轉(zhuǎn)換器且?guī)ё詣优判蚬δ?，保證最多16路有轉(zhuǎn)換在同一轉(zhuǎn)換期間進行，而不會增加CPU的開銷；40路可單獨編程或復用的通用輸入／輸出通道；5個外部中斷；集成的串行通信接口（SCI），可使其具備與系統(tǒng)內(nèi)其他控制器進行異步（RS 485）通信的能力；16位同步串行外圍接口（SPI）能方便地用來與其他的外圍設(shè)備通信；還提供看門狗定時器模塊（WDT）和CAN通信模塊。

　　飛控系統(tǒng)組成模塊

　　飛控系統(tǒng)實時采集各傳感器測量的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)、接收無線電測控終端傳輸?shù)挠傻孛鏈y控站上行信道送來的控制命令及數(shù)據(jù)，經(jīng)計算處理，輸出控制指令給執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對無人機中各種飛行模態(tài)的控制和對任務(wù)設(shè)備的管理與控制；同時將無人機的狀態(tài)數(shù)據(jù)及發(fā)動機、機載電源系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)實時傳送給機載無線電數(shù)據(jù)終端，經(jīng)無線電下行信道發(fā)送回地面測控站。按照功能劃分，該飛控系統(tǒng)的硬件包括：主控制模塊、信號調(diào)理及接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及舵機驅(qū)動模塊等。具體的硬件構(gòu)成原理如圖1所示。

　　模塊功能

　　各個功能模塊組合在一起，構(gòu)成飛行控制系統(tǒng)的核心，而主控制模塊是飛控系統(tǒng)核心，它與信號調(diào)理模塊、接口模塊和舵機驅(qū)動模塊相組合，在只需要修改軟件和簡單改動外圍電路的基礎(chǔ)上可以滿足一系列小型無人機的飛行控制和飛行管理功能要求，從而實現(xiàn)一次開發(fā)，多型號使用，降低系統(tǒng)開發(fā)成本的目的。系統(tǒng)主要完成如下功能：

　　（1）完成多路模擬信號的高精度采集，包括陀螺信號、航向信號、舵偏角信號、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、缸溫信號、動靜壓傳感器信號、電源電壓信號等。由于CPU自帶A／D的精度和通道數(shù)有限，所以使用了另外的數(shù)據(jù)采集電路，其片選和控制信號是通過EPLD中譯碼電路產(chǎn)生的。

　　（2）輸出開關(guān)量信號、模擬信號和PWM脈沖信號等能適應(yīng)不同執(zhí)行機構(gòu)（如方向舵機、副翼舵機、升降舵機、氣道和風門舵機等）的控制要求。

　?。?）利用多個通信信道，分別實現(xiàn)與機載數(shù)據(jù)終端、GPS信號、數(shù)字量傳感器以及相關(guān)任務(wù)設(shè)備的通信。由于CPU自身的SCI通道配置的串口不能滿足系統(tǒng)要求，設(shè)計中使用多串口擴展芯片28C94來擴展8個串口。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　該系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為2部分，即邏輯電路芯片EPLD譯碼電路的程序設(shè)計和飛控系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計。

　　邏輯電路程序設(shè)計

　　EPLD 用來構(gòu)成數(shù)字邏輯控制電路，完成譯碼和隔離以及為A／D，D／A，28C94提供片選信號和讀／寫控制信號的功能。該軟件的設(shè)計采用原理圖輸入和 VERILOG HDL語言編程的混合設(shè)計方式，遵循設(shè)計輸入→設(shè)計實現(xiàn)→設(shè)計校驗→器件編程的流程。系統(tǒng)使用了兩片ispLSI1048芯片，分別用來實現(xiàn)對 A／D，D／A的控制和對串口擴展芯片28C94的控制。

　　系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計

　　由于 C語言不但能夠編寫應(yīng)用程序、系統(tǒng)程序，還能像匯編語言一樣直接對計算機硬件進行控制，編寫的程序可移植性強。由于以DSP為核心設(shè)計的系統(tǒng)中涉及到大量對外設(shè)端口的操作，以及考慮后續(xù)程序移植的工作，所以飛控系統(tǒng)的應(yīng)用程序選用BC 3．1來設(shè)計，分別實現(xiàn)飛行控制和飛行管理功能。

　　軟件按照功能劃分為4個模塊：時間管理模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、通信模塊、控制律解算模塊。通過時間管理模塊在毫秒級時間內(nèi)對無人機進行實時控制；數(shù)據(jù)采集模塊采集無人機的飛行狀態(tài)、姿態(tài)參數(shù)以及飛行參數(shù)、飛行狀態(tài)及飛行參數(shù)進行遙測編碼并通過串行接口傳送至機載數(shù)據(jù)終端，通過無線數(shù)據(jù)信道發(fā)送到地面控制站進行飛行監(jiān)控；姿態(tài)參數(shù)通過軟件內(nèi)部接口送控制律解算模塊進行解算，并將結(jié)果通過D／A通道送機載伺服系統(tǒng)，控制舵機運行，達到調(diào)整、飛機飛行姿態(tài)的目的；通信模塊完成飛控計算機與其他機載外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換功能。

　　利用高速DSP控制芯片在控制律計算和數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢及其豐富的外部資源，配合大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD以及串行接口擴展芯片28C94設(shè)計小型機載飛控計算機，以其為核心設(shè)計的小型無人機飛控系統(tǒng)具有功能全，體積小，重量輕，功耗低的特點，很好地滿足了小型無人機對飛控計算機高精度、小型化、低成本的要求。該設(shè)計已成功應(yīng)用于某驗證無人機系統(tǒng)。

　　TOP5 無人機技術(shù)各模塊詳解與技術(shù)分析

　　如今無人機成為了展會最大的熱點之一，大疆（DJI）、Parrot、3D RoboTIcs、AirDog等知名無人機公司都有展示他們的最新產(chǎn)品。甚至是英特爾、高通的展位上展出了通信功能強大、能夠自動避開障礙物的飛行器。無人機在2015年已經(jīng)迅速地成為現(xiàn)象級的熱門產(chǎn)品，甚至我們之前都沒有來得及細細研究它。與固定翼無人機相比，多軸飛行器的飛行更加穩(wěn)定，能在空中懸停。主機的硬件結(jié)構(gòu)及標準的遙控器的結(jié)構(gòu)圖如下圖。

　　四軸飛行器系統(tǒng)解析圖

　　遙控器系統(tǒng)解析圖

　　以上只是標準產(chǎn)品的解剖圖，有些更加高級的如針對航模發(fā)燒友和航拍用戶們的無人機系統(tǒng)，還會要求有云臺、攝像頭、視頻傳輸系統(tǒng)以及視頻接收等更多模塊。

　　飛控的大腦：微控制器

　　在四軸飛行器的飛控主板上，需要用到的芯片并不多。目前的玩具級飛行器還只是簡單地在空中飛行或停留，只要能夠接收到遙控器發(fā)送過來的指令，控制四個馬達帶動槳翼，基本上就可以實現(xiàn)飛行或懸停的功能。意法半導體高級市場工程師介紹，無人機/多軸飛行器主要部件包括飛行控制以及遙控器兩部分。其中飛行控制包括電調(diào)/馬達控制、飛機姿態(tài)控制以及云臺控制等。目前主流的電調(diào)控制方式主要分成BLDC方波控制以及FOC正弦波控制。

　　高通和英特爾推的飛控主芯片

　　CES上我們看到了高通和英特爾展示了功能更為豐富的多軸飛行器，他們采用了比微控制器（MCU）更為強大的CPU或是ARM Cortex-A系列處理器作為飛控主芯片。例如，高通CES上展示的Snapdragon Cargo無人機是基于高通Snapdragon芯片開發(fā)出來的飛行控制器，它有無線通信、傳感器集成和空間定位等功能。Intel CEO Brian Krzanich也親自在CES上演示了他們的無人機。這款無人機采用了“RealSense”技術(shù)，能夠建起3D地圖和感知周圍環(huán)境，它可以像一只蝙蝠一樣飛行，能主動避免障礙物。英特爾的無人機是與一家德國工業(yè)無人機廠商Ascending Technologies合作開發(fā)，內(nèi)置了高達6個英特爾的“RealSense”3D攝像頭，以及采用了四核的英特爾凌動（Atom）處理器的PCI- express定制卡，來處理距離遠近與傳感器的實時信息，以及如何避免近距離的障礙物。這兩家公司在CES展示如此強大功能的無人機，一是看好無人機的市場，二是美國即將推出相關(guān)法規(guī)，對無人機的飛行將有嚴格的管控。

　　Paul Neil說：xCORE多核微控制器擁有數(shù)量在8到32個之間的、頻率高達500MHz 的32位RISC內(nèi)核。xCORE 器件也帶有Hardware Response I/O接口，它們可提供卓越的硬件實時I/O性能，同時伴隨很低的延遲。“這種多核解決方案支持完全獨立地執(zhí)行系統(tǒng)控制與通信任務(wù)，不產(chǎn)生任何實時操作系統(tǒng)（RTOS）開銷。xCORE微控制器的硬件實時性能使得我們的客戶能夠?qū)崿F(xiàn)非常精確的控制算法，同時在系統(tǒng)內(nèi)無抖動。xCORE多核微控制器的這些優(yōu)點，正是吸引諸如無人機/多軸飛行器這樣的高可靠性、高實時性應(yīng)用用戶的關(guān)鍵之處。”多軸飛行器需要用到四至六顆無刷電機（馬達），用來驅(qū)動無人機的旋翼。而馬達驅(qū)動控制器就是用來控制無人機的速度與方向。原則上一顆馬達需要配置一顆8位MCU來做控制，但也有一顆MCU控制多個BLDC馬達的方案。

　　多軸無人機的EMS/傳感器

　　于用 MEMS傳感器測量角度變化，一般要選擇組合傳感器，既不能單純依賴加速度計，也不能單純依賴陀螺儀，這是因為每種傳感器都有一定的局限性。比如說陀螺儀輸出的是角速度，要通過積分才能獲得角度，但是即使在零輸入狀態(tài)時，陀螺依然是有輸出的，它的輸出是白噪聲和慢變隨機函數(shù)的疊加，受此影響，在積分的過程中，必然會引進累計誤差，積分時間越長，誤差就越大。這就需要加速度計來校正陀螺儀，因為加速度計可以利用力的分解原理，通過重力加速度在不同軸向上的分量來判斷傾角。由于沒有積分誤差，所以加速度計在相對靜止的條件下可以校正陀螺儀的誤差。但在運動狀態(tài)下，加速度計輸出的可信度就要下降，因為它測量的是重力和外力的合力。較常見的算法就是利用互補濾波，結(jié)合加速度計和陀螺儀的輸出來算出角度變化。

　　ADI亞太區(qū)微機電產(chǎn)品市場和應(yīng)用經(jīng)理表示，ADI產(chǎn)品主要的優(yōu)勢就是在各種惡劣條件下，均可獲得高精度的輸出。以陀螺儀為例，它的理想輸出是只響應(yīng)角速度變化，但實際上受設(shè)計和工藝的限制，陀螺對加速度也是敏感的，就是我們在陀螺儀數(shù)據(jù)手冊上常見的deg/sec /g的指標。對于多軸飛行器的應(yīng)用來說，這個指標尤為重要，因為飛行器中的馬達一般會帶來較強烈的振動，一旦減震控制不好，就會在飛行過程中產(chǎn)生很大的加速度，那勢必會帶來陀螺輸出的變化，進而引起角度變化，馬達就會誤動作，最后給終端用戶的直觀感覺就是飛行器并不平穩(wěn)。

　　隨著無人機的功能不斷增加，GPS傳感器、紅外傳感器、氣壓傳感器、超聲波傳感器越來越多地被用到無人機上。方案商已經(jīng)在利用紅外和超聲波傳感器來開發(fā)出可自動避撞的無人機，以滿足將來相關(guān)法規(guī)的要求。集成了GPS傳感器的無人機則可以實現(xiàn)一鍵返航功能，防止無人機飛行丟失。而內(nèi)置了GPS功能的無人機，可以在軟件中設(shè)置接近機場或航空限制的敏感地點，不讓飛機起飛。