基于多核框架的無人機控制系統

呂丁豪，潘仁斌，陳正杰，丁盛梁，吳卓影，譚偉文，張慶芳

（蘇州經貿職業技術學院，江蘇蘇州，215009）

0 引言

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，在航拍、植保、測繪等領域都有應用。無人機控制系統是無人機的核心部分，是當前的研究和學習的熱點。目前常見的無人機控制系統多采用單核控制系統，因為需要對多個傳感數據進行采集和分析處理，同時實時性要求較高，一般采用的控制芯片價格較貴，芯片相應的程序結構也相對復雜，不易于二次開發。本文對現有無人機控制系統的功能分析，把功能分為基于傳感器的數據采集部分、數據分析處理和電機控制部分、飛行數據存儲和顯示三部分，分別采用三個芯片進行處理，不僅很好將程序進行模塊化，有效的降低對芯片性能的要求。

1 硬件電路設計

系統的硬件原理框圖如圖1 所示。該系統以主控制單元、數據采集單元、數據記錄和顯示單元為核心，由傳感器模塊、電機驅動模塊、接收機、人機交互模塊等構成。

圖1 系統結構框圖

■1.1 主控制模塊

主控制模塊由主控制單元、電機驅動模塊、接收機模塊組成，如圖2 所示，主控制單元采用STM32F411CEU6 芯片，它是意法半導體F4 系列的MCU，擁有較高的主頻和豐富的外設資源。電機驅動模塊采用大力四合一電調，該電調每路支持40A 的電流輸出。接收機模塊采用與MC6C 遙控器相配套的MC7RB 接收機。

圖2 主控制單元電路

■1.2 數據采集模塊

數據采集模塊由數據采集單元、傳感器模塊組成，如圖3 所示，數據采集單元采用STM32F301K8U6 芯片，它是意法半導體F3 系列的一款MCU，擁有高速的IIC 通信外設，并比F1 系列多了一個硬件浮點運算單元。本系統采用的傳感器芯片是MPU9250 和FBM320，其中MPU9250 集成了陀螺儀、加速度計和磁羅盤等傳感器，FBM320 是氣壓計傳感器。

圖3 數據采集單元電路

■1.3 存儲顯示模塊

存儲顯示模塊由數據記錄和顯示單元、人機交互模塊組成，如圖4 所示，數據記錄和顯示單元采用STM32 F103CBU6 芯片，它是意法半導體F1 系列的一款MCU，其價格便宜，市場占有率高，其性能足夠滿足人機交互性能要求。

圖4 數據記錄和顯示單元電路

2 軟件部分設計

系統程序軟件由主控制模塊程序、數據采集模塊程序和存儲顯示模塊程序組成。

■2.1 主控制模塊程序

如圖5 所示為主控制模塊程序的流程圖，此模塊負責接收決策信號、轉發數據和控制電機。系統上電啟動后先初始化串口外設，接著接收數據采集模塊發送的數據，數據接收成功后，系統對數據進行分析，進行電機控制。

圖5 主控制模塊程序的流程圖

■2.2 數據采集模塊

如圖6 所示為數據采集模塊流程圖，此模塊負責讀取傳感器的數據并記錄傳感器的狀態。系統上電后執行導航程序，將數據傳遞給主控制單元。系統啟動后需初始化與主控制單元通訊的USART 外設、與傳感器通訊的IIC 外設、傳感器。

圖6 數據采集模塊流程圖

■2.3 存儲顯示模塊

如圖7 所示為存儲顯示模塊流程圖，此模塊主要負責數據顯示和存儲，系統對接收的數據進行重組，同時進行按鍵掃描、屏幕顯示和SD 卡數據寫入。

圖7 存儲顯示模塊

3 結語

本文對無人機的控制系統進行改進，用多核控制系統替代單核控制系統，降低了系統對芯片性能的要求，增加了系統的計算能力，有效的提升了系統的實時性，同時，在多核的硬件基礎上，對程序結構進行改進，模塊化程序，降低了二次開發的難度。