多单片机通信的无人机飞行安控器设计

    某国产大型高亚音速无人机采用的是遥控+自动驾驶仪体制控制飞行，该型无人机目前还不具备自主导航飞行能力，主要依靠接收地面遥控指令完成飞行任务。在遥控系统发生故障等不受控情况下，有可能飞出预定区域，给周边大城市或重要目标带来威胁甚至造成重大损失。为此设计了一种无人机飞行安控器，当无人机飞出预定区域时，安控器执行安控指令，使无人机自行坠毁在预定区域边沿。
    由于无人机对安控器执行安控的可靠性要求较高，为了保证该系统的安全使用，对系统软硬件进行了合理设计，并采取了多种可靠性措施。

1 工作原理
    无人机飞行安控器通过控制舵机离合器供电线路的通断达到安全控制的目的。首先给安控器装订一个安全区域，存入EEPROM。安控器的主控微处理器通过并行方式与辅助微处理器通信，获取GPS数据，并计算和判断无人机是否在预先装订的安全区域以内。当飞出安全区域时，安控器向执行电路输出控制信号断开舵机离合器供电线路，使升降舵处于最大正舵面，无人机在空气动力的作用下，处于失速状态，快速坠毁。
    安控器的主控微处理器还可以通过并行方式与另一辅助微处理器进行通信，向其输出GPS的解算数据，通过数传电台或数据线发送给地面监控微机。生成无人机飞行航迹，供领航参考；或者接收地面监控微机发送的GPS仿真数据，以验证装订的预定区域是否正确。

2 硬件设计
    安控器主要由GPS接收机、主控电路、执行电路、加温电路和数传电台组成，如图1所示。其中，主控电路和执行电路组成主机板，完成安控判断和决策任务。

2．1 主控电路
    主控电路由3片单片机及其外围电路组成，实现与GPS接收机和地面监控微机的同时通信，以及进行浮点运算和判断处理。
    主控单片机采用Atmel公司的AT89C52，2片辅助单片机则采用AT89C4051。它们之间通过并口进行数据交换，其硬件连接如图2所示。图中U3只向主控单片机U1传送GPS数据，所以除数据线外只用到了3根信号线，分别是中断申请信号线、读信号及写信号线。U4与Ul的通信是双向的，所以多了一根数据传送方向信号线F_WR。具体的数据交换操作见后面的相关程序片段。
    在设计中，主控单片机的串口用于与地面监控微机通信进行安控区域的数据装订和读取。一个辅助单片机的串口与GPS接收机进行通信，获取相关的GPS信息，包括日期、时间、经纬度、速度、航向和高度等，并转换成固定格式提供给主控单片机进行是否在预定区域的数据计算。另一个辅助单片机的串口则与地面监控微机或者数传电台通信，一方面下传GPS信息及解算结果，另一方面也可以获取仿真GPS数据从而验证预定区域装订的正确性。
2.2 执行电路
    执行电路采取了双冗余度设计，即构建两路完全相同的执行电路：通过主控单片机的P0．4脚和P0．5脚分别控制两个光耦，进而控制两个大功率MOS管IRF9540。只有两路执行电路都工作才能断开舵机离合器电源，保证了执行安控的可靠性。

3 软件设计
3．1 并行通信实现
    下面以图2中的Ul与U4通信为例说明并行通信编程实现方法。U1首先向U4发中断请求信号，U4接收到中断请求信号后进入中断服务程序，并判断数据传送方向。如果是要求发送数据，则当数据准备好后应答U1并将数据送到数据线上，等待U1取走数据，U1在接收到应答信号后，即从总线上取走数据并回应U4，U4即可准备下一个数据。下面为用Keil C51语言编写的数据交换程序的相关片段。    

    主控单片机Ul中的相关程序片段：

3．2 安控判定算法
    侧偏距是指无人机到矢量航线的垂直距离。设(xa，ya)、(xb，yb)为矢量航线两端点坐标，(x，y)为无人机当前坐标，航线方程可表示为Az+By+C=0。其中，A=ya-yb，B=xa-xb，C=xayb-xbya，则侧偏距△Z为：

    若侧偏距为负，则无人机位于航线的左侧；若侧偏距为正，则无人机位于航线右侧。
    设定一个由矢量航线按顺时针方向组成的封闭凸边形，组成判定区域。若无人机当前位置位于所有矢量航线的右侧时，无人机在判定区域内；若无人机当前位置只要位于一条矢量航线左侧，则无人机在判定区域外。
    实际使用的判定区域由二个凸边形组成，称为“安全区域”，如图3所示。其中，内凸边形称为“安控预警线”，外凸边形称为“安控警戒线”。

3．3 主控单片机程序流程
    主控单片机AT89C52主要完成判断当前位置是否在预先装订的安全控制区域内。如果超出预警线，则发出警告，并继续判断是否超出警戒线，在连续十次判断超出警戒线后则执行安控动作。图4为其主程序流程框图。

4 实验结果
    将安控器进行动态距离试验，地面软件监测结果如图5所示。图中的两个凸多边形区域即为装订的安全区域。图中显示的是安控器在警戒线之外执行安控的结果，此时舵机离合器电源断开。
    在某次无人机供靶试验中，因遥控接收机故障出现了无人机不受控的危险情况，安控系统正确执行了安控，使无人机成功坠毁于警戒线外围附近，表明无人机飞行安控器达到了实际应用要求。

5 结论
    本设计利用单片机多机通信实现了串口的扩展，可应用于无人机关键部位的飞行安控器，实际应用表明，单片机多机通信硬件结构简单，编程灵活方便，系统工作可靠。本文所介绍的设计思路对于无人飞行器的可靠性设计具有较高的参考价值。