关键词：
无人机飞行控制系统设计,
FCS硬件平台设计作者：南昌航空大学信息工程学院 王琪 黄毅 李利翔
引言
随着全球化进程的推进，无人机(UAV，Unmanned Aerial Vehicles)作为现代战争“尖兵之翼”已在日益严峻的世界战争格局中崭露头角，其应用领域也开始多元化过渡发散。飞行控制系统(Flight Control System,简称FCS)作为无人机系统的“大脑”，是执行无人机自主导航、飞行控制、任务管理的成败关键所在。早期的飞行控制系统主要以高增益直流模型模拟线路设计为主要思想，其受制于体积庞大、电气性能差等不利因素，开始逐渐被数字化、智能化的嵌入式系统设计所取代。
从20世纪90年代后期开始，以嵌入式系统为核心、集软硬件于一体的单芯片系统（SoC）器件不断成熟，被越来越多地应用于系统级设计中。可编程片上系统作为SoC技术新的发展趋势，具有灵活的设计方式，可裁减、扩充、升级，并具备软硬件在系统可编程的功能，其精简架构为许多计算密集的嵌入式控制应用领域提供了功能强大、使用灵活且性价比高的解决方案。
FCS总体结构及配置
剖析中近程无人机的飞行特点，主要包括发射、飞行、任务实施、应急措施处理、回收等过程。FCS是无人机系统的核心部分，肩负着无人机数据采集、控制律解算、数据链通讯、舵机/电机驱动等任务，决定着飞行稳定性和安全性。图1为小型无人机飞行控制系统组成架构。
图1 小型无人机飞行控制系统组成结构
飞控计算机硬件电路设计应综合考虑系统功能、用户需求及GB/GJB有关航空飞行器相关标准来开展，其控制模块应具备以下基本要求：1、CPU运算速度快,可在单个任务周期内完成数据采集、解算、输出反馈控制等任务；2、多路模拟量高精度采集能力，包括空速、大气温湿度和机载传感器模拟输出信号等；3、具备丰富的通信信道，可实现与遥控遥测终端、大气数据计算机以及机载智能传感器的数据交互；4、良好的电源管理与监测能力，同时应该具备较大的程序、数据存储空间，用来满足软件设计的开发使用；5、输出驱动可支持数字或模拟两种制式，以满足不同执行机构的控制要求。
总体设计
综合中近程无人机的战术指标及特点，本设计中无人机飞控计算机硬件平台主要由PSoC5微处理器、片外存储器、IMU捷联惯导模块、大气数据传感器、GPS导航单元、任务载荷、舵机/电机驱动、通信数据链、电源监测管理等部分组成。其整体结构框图如图2所示。
图2 无人机飞控系统硬件框架图
PSoC微处理器
Cy8c5568(以下简称PSoC5)微处理器作为Cypress公司生产的PSoC1/3/5系列中的佼佼者，是PLD和ASIC技术融合的结果，片内资源如图3所示。
图3 CY8c55内部资源分布图
Cy8c5568的特性如下：
·集成32位ARM Cortex M3内核，主频范围DC~80MHz；
·高精度可编程时钟和电源管理单元（四个电压域，1.71V~5V，集成升压泵）可为时钟配置和接口电平提供灵活设计；
·配置256KB的Flash，64KB的SRAM，EMIF接口支持片外存储器扩展；
· 24通道DMA，多层AHB总线访问，支持32bit带宽传输；
·灵活的I/O系统（62个GPIO、8个SIO、2个USBIO，可设置多种驱动模式）；
· 24个基于PLD的可编程通用数字资源（UDB），支持4个16 bit 定时器、计数器或PWM，可自由设计多种通讯接口，包括I2C、SPI、UART、CAN2.0b、LIN和I2S全速USB等；
· 可编程模拟外设中包括2个SAR ADC (12bit，1Msps，SNR>70dB)，1个12~20bit可配置Δ-Σ ADC，80MHz 24 bit定点DFB，可实现FIR和IIR滤波器，4个8bit IDAC或VDAC(8Msps)；多个电压比较器/PGA/TIA/混频器；
· JTAG/SWD调试接口，支持多模式下外部引导加载程序编程；
· 工作级温度为-40℃~+85℃，100pin TQFP封装。
数据采集单元
机载传感器为无人机提供姿态运动参数、飞行环境参数、目标特性参数等重要信息，是飞行器的“眼睛”和“耳朵”。传感器及执行机构具体选型如表1所示，电压等级统一为3.3V，兼容PSoC5 I/O口引脚Vddio_3.3V电平，模块化设计冗余性较好。
表1 机载传感器及执行机构选型表
捷联惯性导航系统计算任务主要是对姿态的确定、比力的矢量解算和导航方程的求解。上电初始阶段，机体处于水平状态，此时磁航向传感器HMC5583L给出基准航向和方位角，ADXL345和L3G4200D的组合IMU模块输出原始姿态数据，采集的数字信号经补偿修正后，根据其与参考坐标系的投影、积分关系解算可得出飞机的实时六自由度参数。
(1)
大气数据测量通常依靠差压或绝压信号获取，这里以气压传感器为例进行说明。BMP085大气压力传感器获取的未补偿的温度和压力值经内置EEPROM标准参数修正后，经公式(1)变换，可得到绝对海拔高度Altitude。P0为海平面大气压强，P为当地大气压强测量值。
GPS为无人机提供经纬度、高度、速度等信息,但考虑到其环路带宽较窄、 精度高等特点，可与姿态传感器构成MIMU/GPS组合导航系统，充分利用伪距和伪距率参数来标定组合系统的位置和速度误差，可将其误差减少到随机误差量级级别。系统选用瑞士U-blox公司的NEO-6M GPS模组，2.5m CEP，授时精度1μs，50个通道，热启动时间小于1s，捕获冷启动时间29s，数据更新率5Hz。
电源管理与监控
电源的稳定性关系到无人机的安全及任务性能，为此采用两组12v 3s锂电作为供电源，分别为飞控核心板和执行机构供电，可支持巡航30分钟。飞控计算机输出的3.3V信号到5V电平转换通过SN74ALVCS245芯片完成，可有效阻断执行部件对导航/控制主控板卡的传导干扰。飞控板需求电压等级为5V/3.3V，为避免差压过大形成的发热效应，选用效率较高的开关电源LM2575芯片构建前级电路，再经3.3V LDO两级降压后分别得到5V、3.3V；舵机及无线接收机的5V电压经无刷电调(ESC)的内部电压转换电路而来，后者兼具输入电压异常保护、电池低压保护、过热保护、油门信号丢失保护等多重保护功能。
执行机构控制
Futaba舵机控制信号主要有两个来源:一个是地面遥控装置，另外一个来自飞控计算机的姿态解算指令信号。如图4所示，3.3PWM1~4的信号输出源自PSoC5内部的PWM组件，DCS_PWM1~4是无线接收机接收到的地面遥控信号。3.3PWM1~4经过SN74ALVCS245芯片转换成5V电平的5PWM1~4波，分别驱动副翼、升降、方向、油门四路舵机。另外亦可利用PSoC5内部的8Msps的IDAC或1Msps的VDAC配置模拟输出信号，驱动相关任务载荷。
数据链路切换策略
为增加无人机的安全性和可靠性，考虑任务需求、天气状况、起降条件以及自动飞行出现意外等特殊场合，要建立多条数据通信链路。中近程无人机控制策略一般归为人工比例控制、遥控指令控制、预定程序控制三种方式。设计前期主要采用自主飞行和手动控制模式，通信信道切换电路图如图4所示。同时两路数据送至外部四路2选1数据选择器74LS157中判断,其数据选择引脚A/B的高低电平决定数据链路的使用情况。DATA_select信号为接收机接收到的地面遥控装置的Gear信号，由于该预设通道输出实测状态为1ms/20ms、2ms/20ms两种PWM制式，可设定一定时器检测其1.5ms时刻的电平状况，高电平时，切换至手动操作；低电平时则选择程控。为确保检测的准确性，将Gear信号量经傅里叶变换分解后的近似直流分量送至PSoC5的ADC中处理，两级RC电路可完成该分解过程。
图4 无人机通讯数据链切换原理图
其他接口说明
PSoC5内部具有较为充足的SRAM和FLASH空间，同时预留了EMIF外部存储器接口，可支持同步、异步存储器扩展，其与UDB、I/O端口以及其他硬件协同工作产生外部存储器的地址和控制信号，这里选用的是异步SRAM CY7C1041D，详细接口时序及外部接口设计请参见CY8C55数据手册。同时可以方便的利用SPI组件扩展SD卡，定时存储飞行器姿态及航迹参数；图2中的冗余通道可设计成数传、图传接口，在UDB饱和的情况下可牺牲部分I/O口扩展TL55164A等类似串行通信芯片组成的接口电路，以适应RS-232、RS-485、RS-422通信协议。
顶层固件原理图设计
系统接口配置可在集成开发环境软件PSoC Creator中完成,其中硬件资源的component模块实现各数字接口的API封装，图5是飞控系统部分传感器接口及PWM波形发生器模块的配置情况。原理图中绿线和黄线分别代表片内的数字和模拟路由。
针对图2框架，在顶层原理图设计中使用了2路全双工UART、2路I2C(一主两从)、4路SPI（一主四从）、4路PWM、6路高精度A/D采集，受篇幅限制，仅对主体模块进行说明。
模拟量采集
外部模拟信号采集通过AIN0~5输入，经过程控增益放大器PGA放大后，多路选择器Amux可选通其中一路模拟量，轮序送入Δ-Σ ADC中，数字输出经数字滤波模块DFB送至PSoC内核处理，使用DMA无需CPU干预。ADC的内部基准电压精度为+/-0.1%，此处为1.024V。采集的模拟量包括Ain_gear信号、温湿度、动静压等。
数字接口设计
根据选取的机载传感器，串行接口主要包括SPI、I2C、UART三种。其中SPI总线支持3线/4线制，可配置3bit~16bit字长，也可与非标准SPI通信。操作模式由CPHA、CPOL逻辑值决定，在（全双工）MOSI+MISO模式下位速率最高可9Mbps。主从器件通信信道器件选择端SS_x通过控制寄存器和Demux的时序配合来实现。UART作为飞控计算机和外设的常用通信信道，波特率范围涵括110bps~921600bps，采取其常规配置“8N1”模式，考虑到GPS模块实际需求，配置为9600bps. I2C单元兼容行业标准NXP I2C总线接口，支持主控/多主控/从器件配置，时钟频率选择的标准是数据速率的16倍。I2C_SlavesetAddress()可软件解码从器件地址（0x00~0x7f）,该接口主要为三轴磁力计和气压传感器设置。4路PWM作为数字输出控制端，其组件能生成可调整占空比的周期性波形。Configure选项卡中配置为8bit，一个输出，时钟选择1kHz，周期为20ms，比较模式less or equal，以匹配舵机控制周期。最大比较值设置为Period-1可避免停用输出比较，调用PWM_WriteCompare()可改变该参数。以上数字组件均以UDB模式配置，其头文件函数统一定义于cyfitter.h中。
系统功能配置完毕后，其资源利率.rpt文件如图5所示。鉴于传感器接口均采用UDB模块配置，75%的利用率在利用Fixed Blocks的情况下会大幅下降，仍可兼容支持多种外设。
图5 PSoC5片内接口配置固件原理图
图6 PSoC5片内资源利用率分析表
结束语
方案中可编程SOC芯片的使用，使飞控板体积、重量明显降低，提高了利用效率，接口配置更为灵活，通用性好，便于移植；经初步调试，硬件平台各项指标均达到设计要求；软件结构上利用汇编或C语言的封装API库函数能充分发挥用户的创造力，用户可根据战略环境的变化或作战任务的更迭，进行动态配置，使其构建新的系统功能。在满足实时性和高性能数字信号处理要求的前提下是一个很好的尝试，对无人机飞控系统设计提供了一种新思路，具有一定的实用价值。
