基于SmartFusion的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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SmartFusion的主要特點(diǎn)和功能體現(xiàn)在：
(1)功能齊全的FPGA。SmartFusion器件具有Actel經(jīng)過驗(yàn)證的基于快速閃存技術(shù)ProASIC3 FPGA架構(gòu)，使用先進(jìn)的130 nm七層快閃CMOS工藝技術(shù)，系統(tǒng)門密度范圍為60K～500K，并具有350 MHz的工作頻率和最多204個(gè)I／O。這種組合能夠集成來自其他器件的現(xiàn)有功能，大幅減少線路板空間和總體系統(tǒng)的功耗。
(2)微控制器子系統(tǒng)。器件的智能性是以微控制器子系統(tǒng)的形式加入FPGA的，子系統(tǒng)帶有100 MHz工作頻率的ARM Cortex-M3處理器硬核，全部標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和功能包括：多層AHB通信矩陣，吞吐率高達(dá)16 Gb／s，帶有RMI接口的10M／100M以太網(wǎng)MAC和SPI，I2C，UART和32位定時(shí)器。具有最高512 KB閃存，64 KB SRAM和外部存儲(chǔ)器控制器(EMC)以及8通道DMA控制器。
(3)可編程模擬模塊。創(chuàng)新性專有模擬計(jì)算引擎(ACE)能執(zhí)行采樣排序和計(jì)算，能夠分擔(dān)ARM Cortex-M3處理器的模擬初始化和處理任務(wù)，可編程模擬包括：精度為1％的ADC和DAC，多達(dá)3個(gè)采樣頻率為600KS／s的12位ADC，最多3個(gè)12位第一階DAC、10個(gè)50 ns高速比較器并集成多種溫度、電壓和電流監(jiān)控功能。
在這里，選用SmartFusion系列的A2F200M3作為核心芯片。它的MSS的主要功能是保持與地面站的通訊，采集姿態(tài)角數(shù)據(jù)和GPS定位數(shù)據(jù)，發(fā)送控制命令給FPGA，運(yùn)行相關(guān)的飛行控制算法和導(dǎo)航控制算法等。FPGA架構(gòu)的主要功能是采集與測量傳感器的數(shù)據(jù)，接收MSS的命令與驅(qū)動(dòng)舵機(jī)。FPGA分擔(dān)了一部分原可以采用MSS來實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，使MSS有更多的時(shí)問用于運(yùn)行算法，以提高系統(tǒng)的整體性能。
外圍接口電路主要由RS 232接口、GPS接口、SD卡接口、傳感器信號(hào)采集通道、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量通道、電池電壓檢測通道等組成。GPS和PC串口連接均需要1片MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。SD卡用于存放飛行參數(shù)及圖像數(shù)據(jù)。MSS與FPGA之間可通過GPIO進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、無線接收機(jī)信號(hào)檢測、信號(hào)控制等功能均由芯片的內(nèi)部邏輯電路來實(shí)現(xiàn)，采用VerilogHDL語言編寫。鑒于飛行控制和導(dǎo)航精度的要求，該模塊選用了TI公司的A／D芯片TLC3548，用來采集三軸加速度計(jì)、高度傳感器、三角速率陀螺輸出的電壓信號(hào)。A／D、驅(qū)動(dòng)組成框圖如圖4所示。
3 軟件設(shè)計(jì)
由于飛控計(jì)算機(jī)運(yùn)行的程序復(fù)雜，信息量大，對實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求高，采用單任務(wù)順序機(jī)制的編程方式已不能滿足飛控系統(tǒng)的要求，因此飛控軟件采用了實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ。μC／OS-Ⅱ是專門為計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是可裁減的、基于靜態(tài)優(yōu)先級(jí)的可剝奪型多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和微控制器，其實(shí)時(shí)性能和內(nèi)核的健壯性已在大量的實(shí)際應(yīng)用中得到了證實(shí)。
飛控系統(tǒng)的應(yīng)用程序分為初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制解算模塊、姿態(tài)讀取模塊、GPS接收模塊、遙測發(fā)送模塊、控制量輸出模塊。任務(wù)與功能模塊資源之間的關(guān)系如圖5所示。飛行控制系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，飛控計(jì)算機(jī)在完成自檢后，首先進(jìn)行慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的初始對準(zhǔn)及任務(wù)諸元裝訂，接收初始對準(zhǔn)裝置發(fā)送的初始姿態(tài)和位置信息，然后等待控制系統(tǒng)的啟動(dòng)命令。飛控系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)行初始化設(shè)置，根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)、調(diào)用相應(yīng)的程序模塊完成預(yù)定任務(wù)，各個(gè)任務(wù)之間的公共數(shù)據(jù)采用共享變量的方式進(jìn)行協(xié)同，但需要采取一定的保護(hù)措施。
4 結(jié)語
基于SmartFusion的無人機(jī)飛控系統(tǒng)具有體積小，精度高，運(yùn)算速度快，可剪裁性的優(yōu)點(diǎn)，特別是軟件上采用μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，使飛控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。該飛控系統(tǒng)已在某型無人機(jī)上得到了應(yīng)用，飛行驗(yàn)證表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足要求。本文設(shè)計(jì)的飛控系統(tǒng)具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，為飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了借鑒。
評(píng)論