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基于ARM的无人机飞行控制系统的研究实现

2016-08-09 07:20
小伊琳
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  一、引言

  无人机飞行控制系统是一种具有高性能的自主导航、自动飞行控制、任务管理的综合系统,需要进行大量复杂的数据处理与数学运算。飞控计算机是飞行控制系统的核心子系统,随着航空航天技术的发展,飞控计算机向着高精度和小型化方向发展。高精度要求无人机的制导控制精度高、稳定性好,能够适应复杂的外界环境,致使控制算法比较复杂,计算速度快、精度高。小型化则对控制控制系统的重量和体积提出了更高的要求,要求计算机的性能越高越好,体积越小越好。性能指标和体积限制迫切需要研制新型的飞控计算机。

  二、飞控计算机与外围的接口设计要求

  基于ARM的飞行控制计算机的设计,关键在于系统整体方案设计。接口设计是一个重要环节,其质量将直接影响系统的性能,信号输入输出时要考虑抗干扰性,所设计的整体方案要易于实现,对不同型号的无人机要有一定的适应性。对于要求相近的型号,应该以修改控制软件为主,以少改动或不改动硬件设计为好,这些要求都要在方案设计的各个环节中考虑。

  首先要对无人机的飞控/导航任务和实现目标作需求分析。根据飞行要求和控制对象的复杂程度,选择控制周期;按照控制周期内控制计算量来确定计算的类型和运算速度,并结合外部单元确定接口方案,以及对抗干扰因素的考虑,可确定整体的通讯协议和接口形式。

  在无人机的飞行过程中,为了实现一定的飞行任务,需要对其飞行姿态进行控制,引导飞机按照一定的航线准确飞行。为了进行姿态控制,就需要获得飞行姿态的实时参数信息以及遥控遥测参数。有了这些信息参数,经过计算机的控制算法计算,实时输出控制粮到执行机构,从而实现控制/导航目的,其构成示意图见图1。

  垂直陀螺、三轴角速率陀螺输出的是模拟信号,因此飞控计算机必须具有多路模拟信号的高精度采集能力。而磁航向传感器、高度传感器以及与GPS和遥控遥测的等外围单元的数据交换则采用了RS-485、RS-232通讯协议,因此飞控计算机要具有多串口的通行能力。同时系统要求一系列的电平输出/输入接口、舵机接

  1、ARM的选择

  从计算精度、计算速度、控制性能要求、功耗及上述接口等方面考虑,采用ATMEL公司的AT91M55800A芯片作为CPU。该芯片集成了ARM7TDMI核、嵌入式ICE接口、存储器以及外围。

  AT91M55800A具有先进系统总线(ASB)和先进外围总线(APB)两条主要总线,ASB接口由存储控制寄存器控制用于实现最高的性能。ARM7TDMI核通过ASB接口实现与片内32位存储器、外部总线接口(EBI)以及AMBA桥的连接。AMBA桥用来驱动APB;APB用来访问片内外围,优化系统功耗AT91M55800A通过完全可编程的外部总线接口直接连到片外存储器,使读或写操作最快可达一个时钟周期。8优先级向量中断控制器和片内外围数据控制器则显著提高了器件的实时性能.

  AT91M55800A主要硬件资源极其关键特性如下:

  (1)芯片提供了丰富的片上资源。有片上A/D和D/A转换器,则系统无需外接A/D和D/A芯片,提高了系统的可靠性,减少了系统的复杂性。AT91M55800A有片内看门狗电路,可以监测程序的意外失控。AT91M55800A芯片提供SPI总线,便于与扩展外设进行连接。

  (2)集成了ARM7TDMIARMThumb处理核——低功耗高性能的32位RISC(ReducedInstructionSetComputer)处理器。指令功能强,采用能提供0.9MIPS/MHz的三级流水线和冯·诺依曼结构;具有能产生64位结果的增强型乘法器;寻址能力强,有ARM指令集和Thumb指令集;嵌入式ICE,先进的软件开发和调试环境。

  (3)8KB片内SRAM.—32位数据总线宽度,单时钟周期访问。

  (4)完全可编程的外部总线接口(EBI)—最大可寻址空间为64MB,多达8个片选线,软件可编程的8位或16位外部数据总线。

  (5)8优先级、可单独屏蔽的向量中断控制器(AIC)—7个外部中断,包括一个高优先级、低延迟的中断请求。

  (6)58个可编程I/O口线,由PIOA和PIOB控制。

  (7)6通道16位定时器/计数器,实时时钟(RTC),系统定时器,看门狗定时器。

  (8)主从式SPI接口—8~16位可编程数据长度,4个外部从芯片选择。

  (9)采用片内主振荡器和PLL倍频的时钟产生器及片内32K振荡器的实实时钟—3MHz~33MHz频率范围。

  (10)具有3个USART—每个USART有两个外围数据控制器(PDC)通道。

  (11)8通道10位ADC和2通道10位DAC。

  (12)先进电源管理控制器(APMC)—正常、等待、慢速、待机和掉电方式。

  (13)针对所有数字引脚的JEEE1149.1JTAG边界扫描。

  AT91M55800A上述功能和特点,使得复杂的控制算法可以在规定的时间内完成,且满足了精度的要求。

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