基于586-Engine的无人机飞行控制器设计

引言

在无人机飞行控制系统中，飞行控制器是其核心部件，它负责飞行控制系统信号的采集、控制律的解算、飞机的姿态和速度，以及与地面设备的通讯等工作。

随着无人机越来越广泛的应用，它所完成的任务也越来越复杂，对无人机的机动性要求也越来越高，这就要求无人机的控制核心向高集成度和小型化方向发展。

本文以586-Engine嵌入式芯片为核心，设计了某型无人机的飞行控制器，详细介绍了系统的硬件结构和相应的软件流程，并给出了仿真实验结果。

586-Engine嵌入式芯片的性能特点

586-Engine是TERN公司的基于AMDElanSC520处理器的微控制模块，具有高可靠性、结构紧凑以及低功耗等特点，它同时具有功能强大的调试软件。586-Engine的主要参数指标如下：

（1）CPU为32位AMDElanSC520，主频为133MHz；

（2）具有高性能的浮点运算单元，支持正弦、正切、对数等复杂运算，非常适合需要复杂运算的应用。

（3）配置512KB的，512KB的，114字节内部RAM；

（4）支持15个外部中断。共有7个器，包括一个可编程内部器，提供3个16位内部器和3个16位GP定时器，再加上一个软件定时器。这些定时器支持外部事件的计时和计数。软件定时器提供微秒级的硬件时间基准。

（5）提供32路可编程I/O，2个。共有19路12位A/D输入，包括11路ADC串行输入和8路并行ADC，转换频率为300kHz；6路D/A输出，包括2个串行输出DAC和4个输出并行12位DAC，转换频率为200kHz。

（6）工作温度为-40℃~80℃，尺寸为91.4mm×58.4mm×7.6mm。

飞行控制器硬件设计

该型无人机是为海军野战部队提供通讯中继用途的中型轮式无人机，其飞行控制器是一个单独装箱的小型航空机载电子设备，由DC/DC直流电源变换板、计算机主机板、模拟量通道板、量通道板和舵机控制板组成，全部模板通过母板上的总线方式连接，以减小尺寸，提高集成度。飞行控制器硬件结构如图1所示，实物图如图2所示。

下面详细介绍飞行控制器的数据采集、信息传输、控制量输出等问题。

（1）串口扩展

由图1可知，该飞行控制器需要与、磁航向计和无线电高度表等进行通讯，共需5个串口。而586-Engine主板只提供2个串口，分别供地面检测和测控电台使用，因此需要进行串口扩展。串口扩展电路如图3所示。

串口扩展电路中采用四通道并-串转换器件，将8位并行数据转换成4路串行输出，外加和电平转换芯片，扩展了2个串口和2个串口，可满足飞行控制器的硬件需求。

（2）D/A转换

此型无人机采用模拟舵机，共需6路D/A通道产生PWM信号来驱动舵机。586-Engine主板总共提供8路D/A，其中4路12位并行D/A（DA7625）分别控制升降舵机、左右副翼舵机和方向舵机，2路12位串行D/A（）控制前轮舵机和油门舵机。由于DA7625的输出电压范围为0~2.5V，输出电压范围为0~4.096V，而舵机工作电压为-10~10V，因此需要对信号进行放大和电平平移。D/A电平平移电路如图4所示。

由图可知，D/A电平转换原理是在运放输入端采用加法电路，将输入信号与基准电平比例相加，得到适合采样的电压范围。输入电平与输出电平的关系为。

（3）A/D采集

586-Engine主板上自带的19路12位的A/D接口完全满足飞控系统通道数和转换精度的要求，这些A/D接口分别采集气压高度表的数据，无人机机载电压、发动机转速和温度、油门开度等。这些信号发往地面测控计算机，为操作人员对无人机工作状态进行监控提供了基础。

（4）I/O控制

586-Engine主板上提供了32个16位可编程数字I/O口，用于采集发动机启动信号、伞舱打开信号等，并输出量信号控制其它设备，控制无人机起飞与回收过程。

（5）

飞行控制器的电路给飞行控制器提供干净稳定的供电电压，用来保证飞行控制器正常工作。电路的设计好坏直接影响飞行控制器运行的稳定性和可靠性。该型无人机由于对尺寸有一定的要求，同时考虑到可靠性与成本，因此在设计时选用了成熟的标准，外接少量器件即可工作。飞行控制器供电模块电路如图5所示。

其中，采用24T05D12作为供电电路的主芯片，提供的功率为30W，输入电压范围为18V~36V，具有三路电源输出：+5V和±12V，为机载和舵机进行供电。