在無人機飛行控制系統(tǒng)中，飛行控制器是其核心部件，它負責飛行控制系統(tǒng)信號的采集、控制律的解算、飛機的姿態(tài)和速度，以及與地面設備的通訊等工作。隨著無人機越來越廣泛的應用，它所完成的任務也越來越復雜，對無人機的機動性要求也越來越高，這就要求無人機的控制核心向高集成度和小型化方向發(fā)展。
本文以586-Engine嵌入式芯片為核心，設計了某型無人機的飛行控制器，詳細介紹了系統(tǒng)的硬件結構和相應的軟件流程，并給出了仿真實驗結果。
586-Engine是TERN公司的基于AMD Elan SC520處理器的微控制模塊，具有高可靠性、結構緊湊以及低功耗等特點，它同時具有功能強大的調(diào)試軟件。586-Engine的主要參數(shù)指標如下：
（1）CPU為32位AMD Elan SC520，主頻為133MHz；
（2）具有高性能的浮點運算單元，支持正弦、正切、對數(shù)等復雜運算，非常適合需要復雜運算的應用。
（3）配置512KB的SRAM，512KB的Flash，114字節(jié)內(nèi)部RAM；
（4）支持15個外部中斷。共有7個定時器，包括一個可編程內(nèi)部定時器，提供3個16位內(nèi)部定時器和3個16位GP定時器，再加上一個軟件定時器。這些定時器支持外部事件的計時和計數(shù)。軟件定時器提供微秒級的硬件時間基準。
（5）提供32路可編程I/O，2個UART。共有19路12位A/D輸入，包括11路ADC串行輸入和8路并行ADC，轉換頻率為300kHz；6路D/A輸出，包括2個串行輸出DAC和4個輸出并行12位DAC，轉換頻率為200kHz。
（6）工作溫度為-40℃~80℃，尺寸為91.4mm&TImes;58.4mm&TImes;7.6mm。
該型無人機是為海軍野戰(zhàn)部隊提供通訊中繼用途的中型輪式無人機，其飛行控制器是一個單獨裝箱的小型航空機載電子設備，由DC/DC直流電源變換板、計算機主機板、模擬量通道板、開關量通道板和舵機控制板組成，全部模板通過母板上的總線方式連接，以減小尺寸，提高集成度。飛行控制器硬件結構如圖1所示，實物圖如圖2所示。
下面詳細介紹飛行控制器的數(shù)據(jù)采集、信息傳輸、控制量輸出等問題。
（1）串口擴展
由圖1可知，該飛行控制器需要與GPS、磁航向計和無線電高度表等進行通訊，共需5個串口。而586-Engine主板只提供2個串口，分別供地面檢測和測控電臺使用，因此需要進行串口擴展。串口擴展電路如圖3所示。
串口擴展電路中采用TL16C754四通道UART并-串轉換器件，將8位并行數(shù)據(jù)轉換成4路串行輸出，外加MAX202和MAX489電平轉換芯片，擴展了2個RS232串口和2個RS422串口，可滿足飛行控制器的硬件需求。
（2）D/A轉換
此型無人機采用模擬舵機，共需6路D/A通道產(chǎn)生PWM信號來驅(qū)動舵機。586-Engine主板總共提供8路D/A，其中4路12位并行D/A（DA7625）分別控制升降舵機、左右副翼舵機和方向舵機，2路12位串行D/A（LTC1446）控制前輪舵機和油門舵機。由于DA7625的輸出電壓范圍為0~2.5V，LTC1446輸出電壓范圍為0~4.096V，而舵機工作電壓為-10~10V，因此需要對信號進行放大和電平平移。D/A電平平移電路如圖4所示。
由圖可知，D/A電平轉換原理是在運放輸入端采用加法電路，將輸入信號與基準電平比例相加，得到適合采樣的電壓范圍。輸入電平與輸出電平的關系為。
（3）A/D采集
586-Engine主板上自帶的19路12位的A/D接口完全滿足飛控系統(tǒng)通道數(shù)和轉換精度的要求，這些A/D接口分別采集氣壓高度表的數(shù)據(jù)，無人機機載電壓、發(fā)動機轉速和溫度、油門開度等。這些信號發(fā)往地面測控計算機，為操作人員對無人機工作狀態(tài)進行監(jiān)控提供了基礎。
（4）I/O控制
586-Engine主板上提供了32個16位可編程數(shù)字I/O口，用于采集發(fā)動機啟動信號、傘艙打開信號等，并輸出開關量信號控制其它設備，控制無人機起飛與回收過程。
（5）電源模塊
飛行控制器的電源模塊電路給飛行控制器提供干凈穩(wěn)定的供電電壓，用來保證飛行控制器正常工作。電源模塊電路的設計好壞直接影響飛行控制器運行的穩(wěn)定性和可靠性。該型無人機由于對尺寸有一定的要求，同時考慮到可靠性與成本，因此在設計時選用了成熟的標準模塊電源，外接少量器件即可工作。飛行控制器供電模塊電路如圖5所示。
其中，采用24T05D12模塊電源作為供電電路的主芯片，提供的功率為30W，輸入電壓范圍為18V~36V，具有三路電源輸出：+5V和±12V，為機載傳感器和舵機進行供電。
控制軟件設計
飛控軟件開發(fā)環(huán)境
586-Engine微處理器使用的開發(fā)環(huán)境Paradigm C/C++Professional是美國Devtools公司用于開發(fā)嵌入式系統(tǒng)應用的集成開發(fā)環(huán)境，它支持嵌入式X86系統(tǒng)，包括一個X86的集成開發(fā)環(huán)境。包含了編譯、匯編、鏈接、定位和調(diào)試功能，可以編輯嵌入式C/C++代碼，支持實模式、擴展模式和保護模式的嵌入式X86開發(fā)系統(tǒng)。
飛控軟件開發(fā)過程是用戶在開發(fā)環(huán)境中編譯程序，通過串口將程序加載到飛行控制器，并且可以在PC機上進行調(diào)試，這是其突出優(yōu)點。此外TERN公司還提供了底層操作程序，為軟件開發(fā)提供了便利。
飛控軟件設計
機載飛行控制軟件總體分為三大模塊：初始化模塊、定時處理模塊和串行中斷處理模塊。
各模塊的功能如下：
（1）初始化模塊：主要完成系統(tǒng)的初始化，包括A/D卡初始化、DIO口初始化、串口初始化、傳感器初始化及參數(shù)的設置等。
（2）定時處理模塊：主要完成與時間有關的周期性任務，包括傳感器信號的采集、飛行模式管理、導航計算、飛行控制律計算和執(zhí)行機構控制等。
（3）串行中斷處理模塊：完成遙控指令的接收、磁航向計和無線電高度表數(shù)據(jù)的接收等。
飛控軟件的主函數(shù)流程如圖6所示。
半實物仿真實驗
在半實物仿真試驗中，飛行控制計算機的控制信號通過D/A轉換后，經(jīng)過伺服控制驅(qū)動器放大來驅(qū)動無人機的執(zhí)行機構即電動伺服舵機，然后仿真計算機通過A/D通道采集電動伺服舵機的位移信號，并且輸出控制指令（三軸姿態(tài)角）控制三軸飛行仿真轉臺，模擬出無人機的姿態(tài)角及姿態(tài)角速率等信號。機載傳感器將這些信號反饋給飛行控制器，從而構成一個閉環(huán)系統(tǒng)，完成各種飛行任務。仿真試驗可以檢驗飛行控制系統(tǒng)的安全性與可靠性，為無人機成功放飛奠定基礎。半物理仿真實驗結果如圖7所示。
從圖中可以看出，無人機基本上可以沿給定航線飛行，切入直線航段或圓弧航段后，側偏距較小，在轉彎處有一定的超調(diào)，總體來說控制效果較好，分析后認為該無人機壓航線飛行基本達到需求方的要求。
小結
586-Engine嵌入式芯片的使用，減小了飛行控制器的體積與重量，實現(xiàn)了飛行控制器小型化、高集成度的設計目標；自行設計的串口擴展電路、舵機控制板等降低了研制成本，滿足了項目需求方的要求?？梢灶A見，586-Engine特有的功能以及較高的性價比將在無人機飛行控制領域得到廣泛的應用。
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