基于DSP的小型無人直升機飛行控制系統設計

佟 賀，徐艷艷

（中國人民解放軍陸軍航空兵學院，北京 101123）

1 引言

無人機（UAV，Unmanned Aerial Vehicle）全稱無人駕駛飛機，可無人駕駛，且可重復使用。近年來，隨著控制技術和微電子技術的發展，無人機的研究與制造也取得了迅猛的發展，應用領域也越來越廣泛，除軍事方面，在民用領域應用也越來越廣泛。作為眾多無人機的一種，無人直升機還具有一些獨特的飛行性能，可以完成一些其它無人飛行器很難完成的任務。

2 飛行控制系統總體設計

無人機設計最主要的部分就是飛行控制系統的設計，本文設計的飛行控制系統主要由DSP模塊和ARM模塊兩大部分組成，其硬件框圖如圖1所示。這里DSP模塊和ARM模塊通過一片雙口RAM來交換數據。圖中電源模塊主要是來提供系統所需的各種電壓和對供電電池進行管理。

圖1 飛行控制系統硬件平臺框圖

飛行控制系統硬件系統中的DSP模塊采用的是TMS320-DM642芯片，ARM采用的是Cortex-A芯片，此外，系統還包括一些外圍接口，主要有10M以太網接口、數傳電臺接口、RS232接口、GPS接口、I2C接口和SD卡接口等，這些模塊實現的功能主要有：

（1）保持和地面站的信息交換。

（2）采集傳感器端數據，如GPS信號和聲納高度傳感器數據。

（3）運行飛行控制算法和導航控制算法以及發送控制命令給主控芯片。

ARM模塊以Cortex-A為主控芯片，控制的接口電路主要有：六路無線接收器信號采集通道、九路姿態傳感器信號采集通道、五路舵機驅動通道、發動機轉速測量通道、電池電壓檢測通道等。這些模塊的主要功能如下：

（1）采集各路傳感器數據。

（2）接收無線接收機數據。

（3）接收TMS320DM642的命令。

（4）驅動舵機工作。

3 飛行控制系統硬件設計

控制器的硬件設計主要由DSP模塊和ARM模塊組成。其中DSP模塊主要包含DSP處理器芯片及部分外圍器件構成。DSP處理器通過三個串口分別與數傳電臺、GSP和PC機相連接。再有，DSP芯片通過與聲納高度傳感器相連接，以此來獲得高度信息。此外，DSP模塊還額外預留一個以太網接口，主要作為系統調試的接口。DSP模塊與ARM模塊的數據交換主要由雙口RAM配合完成，SD卡主要用于存放應用軟件以及一些數據。

該飛行控制系統中數據采集和舵機驅動功能主要由ARM模塊完成。兩片模數轉換器主要用來采集航向傳感器和姿態的信號。采集來數據先進行預處理，處理完畢后存放到雙口RAM中。ARM還由雙口RAM的指定位置讀取命令與數據，進而根據命令執行相應的控制功能。

4 飛行控制系統軟件設計

飛行控制軟件可以實現無人機控制、檢測、通訊等功能。軟件主要設計了四個模塊：CPU輔助子模塊、控制子模塊、通信子模塊、飛行狀態檢測及故障判斷子模塊。程序部分采用了主程序+任務十中斷的軟件結構。

CPU輔助子模塊的功能主要是提供CPU運行時必須的底層軟件，主要包括中央處理器、寄存器的初始化配置、PSD支持文件與常規算法庫；通訊子模塊主要用來提供GPS、遙控及遙測等信息數據；飛行狀態檢測子模塊可以檢測直升機在飛行過程中體現出的各種姿態信息；檢測及故障判斷子模塊要完成上電自檢測、飛控器運行狀況監控等功能。

軟件系統上電后，先進行操作系統自身以及外圍設備初始化設置，然后建立系統欲實現的任務，并賦予不同的優先級，直升機的穩定飛行必須實時采集系統傳感器的各項數據，因此把信號采集任務設置為最高優先級。采集到的數據通過任務之間的通信機制，傳遞給控制量計算任務，任務根據收集到的數據執行控制算法，計算出各個舵機的控制量，進而實現無人直升機飛行狀態的控制。