飞行控制系统.doc

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1、飞行控制系统为了使无人机飞行控制系统具有强大的数据处理能力、较低的功耗、较强的灵活性和更高的集成度，提出了一种以SmartFusion为核心的无人机飞行控制系统解决方案。为满足飞控系统实时性和稳定性的要求，系统采用了μC／OS-Ⅱ实时操作系统。与传统的无人机飞行控制系统相比，在具有很强的数据处理能力的同时拥有较小的体积和较低的功耗。多次飞行证明，各个模块设计合理，整个系统运行稳定，可以用作下一代无人机高性能应用平台。关键词：无人机；飞行控制系统；SmartFusion芯片；μC／OS-Ⅱ0引言   飞行控制系统是无人机的重要组成部分，是飞行控制算法的运行平台，它的性能好坏直接关系着无人机能

2、否安全可靠的飞行。随着航空技术的发展，无人机飞行控制系统正向着多功能、高精度、小型化、可复用的方向发展。高精度要求无人机控制系统的精度高，稳定性好，能够适应复杂的外界环境，因此控制算法比较复杂，计算速度快，精度高；小型化则对控制系统的重量和体积提出了更高的要求，要求控制系统的性能越高越好，体积越小越好。此外，无人机飞行控制系统还要具有实时、可靠、低成本和低功耗的特点。基于以上考虑，本文从实际工程应用出发，设计了一种基于SmartFusion的无人机飞行控制系统。1飞控系统总体设计    飞行控制系统在无人机上的功能主要有两个：一是飞行控制，即无人机在空中保持飞机姿态与航迹的稳定，以及按地面

3、无线电遥控指令或者预先设定好的高度、航线、航向、姿态角等改变飞机姿态与航迹，保证飞机的稳定飞行，这就是通常所谓的自动驾驶；二是飞行管理，即完成飞行状态参数采集、导航计算、遥测数据传送、故障诊断处理、应急情况处理、任务设备的控制与管理等工作。   飞行控制系统主要完成3个功能任务，其层次构成为三层：最底层的任务是提高无人机运动和突风减缓的固有阻尼——三个轴方向的阻尼器功能；第2层的任务是稳定无人机的姿态角——基本驾驶仪的功能(主要进行角运动控制)；第3层的任务是控制飞行高度、航迹和飞行速度，实现较高级自动驾驶功能。飞行控制系统原理框图见图1。   由上述分析易知，飞行控制系统主要由飞行控制器

4、、传感器(或敏感元件)、舵机3部分组成。无人机飞行控制系统的基本架构如图2所示。   飞行控制器是以SmartFusion为核心的控制计算机，它是无人机的中央控制单元，负责飞机上各个单元的协调工作，并与地面站之间进行数据传输。同时根据控制算法和地面站的命令，保持飞机以一定的姿态飞行。   传感器包括电子罗盘、角速率传感器、高度传感器、加速度计和GPS接收机等。电子罗盘选用霍尼韦尔HMR3300，它可以测量航向、倾角和翻滚角，输出方式为SPI串行输出。角速率传感器采用的是ADI公司的ADXRS300，其输出电压与偏航角速率成正比。高度传感器选择利用半导体材料的压阻效应原理制造的MPX4115

5、A大气压力传感器。加速度计采用的是ADI公司的ADXL203，它是电容式加速度计，具有高精度、高稳定性和低功耗等特点，输出电压经信号调理后正比于加速度值。GPS接收机选用GPS-G03A(H)，它是一款超低功耗的GPS天线接收一体机，可给出经纬度，时间和速度等信息，以RS232串口形式传输数据。   舵机包括升降舵、方向舵、副翼。舵机的控制信号是脉宽调制信号，便于和飞控计算机进行接口。2飞控计算机硬件电路设计    无人机的飞行控制计算机是无人机飞行控制系统的核心，其硬件结构如图3所示。它的功能主要由SmartFusion单芯片最小系统及外围电路实现，另外还有一个电源模块用来提供系统所需的

6、各类电压和对供电电池进行管理。   SmartFusion系列结合了逻辑、微控制器子系统(MSS)和可编程模拟模块，即带有Actel经过验证的FPGA架构和基于ARMCortex-M3硬核处理器子系统，以及可编程FLASH模拟模块。实现易于使用的完全可定制系统设计平台，使嵌入式设计人员无需进行线路板级改变，就能够快速优化硬件／软件并折中权衡。在SmartFusion器件内，所有数据都会从处理器传送到FPGA，或从模拟模块传送到处理器，或在FPGA和片上模拟模块之间传送。此外，Actel的FLASHLock技术也提供了出色的IP安全保障。   SmartFusion的主要特点和功能体现在： 

7、  (1)功能齐全的FPGA。SmartFusion器件具有Actel经过验证的基于快速闪存技术ProASIC3FPGA架构，使用先进的130nm七层快闪CMOS工艺技术，系统门密度范围为60K～500K，并具有350MHz的工作频率和最多204个I／O。这种组合能够集成来自其他器件的现有功能，大幅减少线路板空间和总体系统的功耗。   (2)微控制器子系统。器件的智能性是以微控制器子系统的形式加入FPGA的，子系统带有1