简析某型无人机飞行控制计算机硬件设计论文

1 DSP 微处理器

飞行控制计算机是无人机飞行控制系统的核心，考虑飞行控制系统的功能和受到无人机对体积和重量等条件约束，所研制的飞行控制计算机选用TI 公司的高性能处理芯片TMS320F28335 作为飞行控制计算机的微处理器芯片，该芯片是一款TMS320C28X 系列浮点DSP 控制器， 具有功耗小，成本低，精度高，外设集成度高，性能高，数据以及程序存储量大，A/D 转换精确快速等优点， 并具有TI 公司所开发的功能强大的CCS 软件平台。无人机发动机整流后的电源和机载蓄电池作为飞行控制计算机主电源的输入，正常工作状态下，发动机供电给飞行控制计算机，机载蓄电池在无人机启动或发动机出现故障时供电。

2 主要功能模块设计

2.1 DSP 最小系统模块

保证DSP 正常工作所需的最小外围电路称为DSP 最小系统，包括DSP 内核、ADC 模块、BOOT 启动选择、I/O 供电模块、电源模块以及JTAG 调试模块等。

DSP 最小系统的供电系统选用TI 公司的TPS767D301双电源芯片，其中DSP 内核模块供电为1.8 V，IO 的供电为3.3 V;晶振选用30 MHz，DSP 的工作频率是经过5 倍频放大达到150 MHz;选用MAX6021A 作为ADC 的外部参考电压，产生2.048 V 的基准电压，使ADC 模块的精度达到12 位;方便系统从串口烧写程序，BOOT 启动可以从SCI 或者FLASH启动。

2.2 模拟量信号调理模块

多路传感器输出的开关量、频率信号、电压信号及电阻信号是经过模拟量信号调理模块电路进行滤波和放大处理，从而调理成适合计数器所需的脉冲的信号和A/D 器件采样电平的信号。

模拟量输出的信号包括俯仰、滚转、油门舵机反馈、纵向舵机反馈、横向舵机反馈、航向舵机反馈和电源电压等信号;由于电压输出范围为-10V~+10V， 而DSP 内部ADC 模块采集模拟量的范围是0~+3 V，因此需将-10~+10 V 电压转换成0~+3 V。为实现模拟信号调理，设计采用通过加法器进行平移和运放进行衰减。

2.3 数字量输入/输出模块

无人机飞行控制系统中的数字量输出信号包括红外增强器以及诱饵弹等任务设备投放信号、发动机启动/停车信号，这些功能的执行机构由继电器实现。继电器的控制电平为24 V， 选用8 通道的ULN2803 驱动离散数字量输出，而ULN2803 的输入电平为5 V，为了电平匹配，使用74HCT245将DSP 的数字量输出信号的3.3 V 电平转换为5 V， 以驱动ULN2803 的输出。数字量输入信号的外部输入电平为5 V， 而DSP 的IO口为3.3 V 电平，为了达到电平的匹配，选用74LVT245，对数字量输入信号进行电平转换。

2.4 DA 输出模块

飞控系统执行机构的控制信号采用模拟量信号，主要是输出指令给舵机，进而舵机的伺服电路驱动执行机构。飞控系统包括油门舵机、纵向舵机、横向舵机和航向舵机，这些舵机的控制信号范围为-10~+10 V， 至少要4 路-10~+10 V。考虑精度高， 传输速度快和功耗低等原则， 选用TI 公司的DAC7718，它支持输出电压范围为-12~+12 V，双极性输出，功耗为14.4 mW/Ch，8 通道，误差为±1LSB，采用SPI 总线通讯接口，精度达到1LSB，设置时间为15 μs，12 位分辨率。

2.5 串行通信扩展模块

飞行控制系统的通讯设备有GPS 模块、组合导航和无线数传电台等，它的通信接口都为RS232。飞控系统需进行半实物仿真和测试，但半实物在回路测试和仿真的通信接口都为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 扩展四路串口，同时保证TTL 电平和RS422 或者RS232 电平进行匹配， 采用SP3232和MAX3490 芯片进行全双工的串行接口转换。

2.6 捷联航姿系统模块

捷联航姿系统是捷联姿态航向参考系统的.简称，它是将惯性器件直接固定连接在载体上，载体坐标系相对于惯性坐标系的角速度和加速度，分别利用陀螺仪和加速度计进行测量。航向、滚转、俯仰为载体的实时运动姿态，其信息可通过传感器的数据融合算法进行解算。飞行控制计算机模板和捷联航姿系统所需的磁罗盘、陀螺仪、加速度计等传感器固定连接，即飞行控制计算机和捷联航姿系统进行一体化设计。

捷联航姿系统包括陀螺仪、加速度计和磁罗盘等模块。飞行控制计算机对系统对传感器采集到的三维角速度、加速度、磁场分量进行数据融合并计算出四元数，进而反解出三维的姿态角，供飞行控制系统读取姿态。

2.7 气压高度计模块

为了保证飞行控制系统的准确性和可靠性，采用惯性测量单元、气压高度计和GPS 3 个传感器信号，进行信息融合后得到的高度信息作为飞行控制律运算的高度反馈信号，提高系统高度测量的准确性和可靠性。采用博世科技公司的BMP085 气压传感器，具有精度高、体积小和成本低等特点。BMP085 是一款超低功耗、高精度的压力传感器，性能卓越，功耗低，只有3 μA，绝对精度最低可以达到0.03 hPa。

2.8 铁电存储器扩展模块

无人机飞行控制系统的软件程序在飞行前需要配置许多参数，如航路的航点数据。铁电存储器扩展模块中存储参数，参数的配置是通过上位机软件通过串口通讯实时进行的，其还可以对飞行状态信息进行实时存储， 这些飞行信息对飞行状态的后续分析，有很大帮助，尤其在无人机出现故障甚至引起坠机等意外事件， 所存储飞行前的飞行数据有助于查找事故原因。

基于总线接口和数据存储空间的两个因素， 铁电RAM 选定了FM24V10 作为数据记录载体，其具有高速I2C总线接口，1M 位存储空间， 它可直接与飞行控制计算机的I2C 模块相接。

3 结束语

无人机飞行控制计算机是飞行控制系统软件得以运行的载体，笔者着重从飞行控制计算机硬件的各个具体模块进行了研究，设计并开发了飞行控制计算机。该飞行控制计算机成功应用于某型无人机的飞行试验中，实验和测试结果表明该飞行控制计算机设计合理。