1、飛行控制系統為了使無人機飛行控制系統具有強大的數據處理能力、較低的功耗、較強的靈活性和更高的集成度，提出了一種以SmartFusion為核心的無人機飛行控制系統解決方案。為滿足飛控系統實時性和穩定性的要求，系統采用了COS-實時操作系統。與傳統的無人機飛行控制系統相比，在具有很強的數據處理能力的同時擁有較小的體積和較低的功耗。多次飛行證明，各個模塊設計合理，整個系統運行穩定，可以用作下一代無人機高性能應用平臺。關鍵詞：無人機；飛行控制系統；SmartFusion芯片；COS-0 引言    飛行控制系統是無人機的重要組成部分，是飛行控制算法的運行平臺，它的性能好壞

2、直接關系著無人機能否安全可靠的飛行。隨著航空技術的發展，無人機飛行控制系統正向著多功能、高精度、小型化、可復用的方向發展。高精度要求無人機控制系統的精度高，穩定性好，能夠適應復雜的外界環境，因此控制算法比較復雜，計算速度快，精度高；小型化則對控制系統的重量和體積提出了更高的要求，要求控制系統的性能越高越好，體積越小越好。此外，無人機飛行控制系統還要具有實時、可靠、低成本和低功耗的特點。基于以上考慮，本文從實際工程應用出發，設計了一種基于SmartFusion的無人機飛行控制系統。1 飛控系統總體設計    飛行控制系統在無人機上的功能主要有兩個：一是飛行

3、控制，即無人機在空中保持飛機姿態與航跡的穩定，以及按地面無線電遙控指令或者預先設定好的高度、航線、航向、姿態角等改變飛機姿態與航跡，保證飛機的穩定飛行，這就是通常所謂的自動駕駛；二是飛行管理，即完成飛行狀態參數采集、導航計算、遙測數據傳送、故障診斷處理、應急情況處理、任務設備的控制與管理等工作。    飛行控制系統主要完成3個功能任務，其層次構成為三層：最底層的任務是提高無人機運動和突風減緩的固有阻尼三個軸方向的阻尼器功能；第2層的任務是穩定無人機的姿態角基本駕駛儀的功能(主要進行角運動控制)；第3層的任務是控制飛行高度、航跡和飛行速度，實現較高級自動駕駛功能。飛

4、行控制系統原理框圖見圖1。    由上述分析易知，飛行控制系統主要由飛行控制器、傳感器(或敏感元件)、舵機3部分組成。無人機飛行控制系統的基本架構如圖2所示。    飛行控制器是以SmartFusion為核心的控制計算機，它是無人機的中央控制單元，負責飛機上各個單元的協調工作，并與地面站之間進行數據傳輸。同時根據控制算法和地面站的命令，保持飛機以一定的姿態飛行。    傳感器包括電子羅盤、角速率傳感器、高度傳感器、加速度計和GPS接收機等。電子羅盤選用霍尼韋爾HMR3300，它可以測量航向、傾角和翻滾角，

5、輸出方式為SPI串行輸出。角速率傳感器采用的是ADI公司的ADXRS300，其輸出電壓與偏航角速率成正比。高度傳感器選擇利用半導體材料的壓阻效應原理制造的MPX4115A大氣壓力傳感器。加速度計采用的是ADI公司的ADXL203，它是電容式加速度計，具有高精度、高穩定性和低功耗等特點，輸出電壓經信號調理后正比于加速度值。GPS接收機選用GPS-G03A(H)，它是一款超低功耗的GPS天線接收一體機，可給出經緯度，時間和速度等信息，以RS 232串口形式傳輸數據。    舵機包括升降舵、方向舵、副翼。舵機的控制信號是脈寬調制信號，便于和飛控計算機進行接口。2 飛控計

6、算機硬件電路設計    無人機的飛行控制計算機是無人機飛行控制系統的核心，其硬件結構如圖3所示。它的功能主要由SmartFusion單芯片最小系統及外圍電路實現，另外還有一個電源模塊用來提供系統所需的各類電壓和對供電電池進行管理。    SmartFusion系列結合了邏輯、微控制器子系統(MSS)和可編程模擬模塊，即帶有Actel經過驗證的FPGA架構和基于ARM Cortex-M3硬核處理器子系統，以及可編程FLASH模擬模塊。實現易于使用的完全可定制系統設計平臺，使嵌入式設計人員無需進行線路板級改變，就能夠快速優化硬件

7、軟件并折中權衡。在SmartFusion器件內，所有數據都會從處理器傳送到FPGA，或從模擬模塊傳送到處理器，或在FPGA和片上模擬模塊之間傳送。此外，Actel的FLASHLock技術也提供了出色的IP安全保障。    SmartFusion的主要特點和功能體現在：    (1)功能齊全的FPGA。SmartFusion器件具有Actel經過驗證的基于快速閃存技術ProASIC3 FPGA架構，使用先進的130 nm七層快閃CMOS工藝技術，系統門密度范圍為60K500K，并具有350 MHz的工作頻率和最多204個IO。這種組合能

8、夠集成來自其他器件的現有功能，大幅減少線路板空間和總體系統的功耗。    (2)微控制器子系統。器件的智能性是以微控制器子系統的形式加入FPGA的，子系統帶有100 MHz工作頻率的ARM Cortex-M3處理器硬核，全部標準外設和功能包括：多層AHB通信矩陣，吞吐率高達16 Gbs，帶有RMI接口的10M100M以太網MAC和SPI，I2C，UART和32位定時器。具有最高512 KB閃存，64 KB SRAM和外部存儲器控制器(EMC)以及8通道DMA控制器。    (3)可編程模擬模塊。創新性專有模擬計算引擎(ACE)能執行采

9、樣排序和計算，能夠分擔ARM Cortex-M3處理器的模擬初始化和處理任務，可編程模擬包括：精度為1的ADC和DAC，多達3個采樣頻率為600KSs的12位ADC，最多3個12位第一階DAC、10個50 ns高速比較器并集成多種溫度、電壓和電流監控功能。    在這里，選用SmartFusion系列的A2F200M3作為核心芯片。它的MSS的主要功能是保持與地面站的通訊，采集姿態角數據和GPS定位數據，發送控制命令給FPGA，運行相關的飛行控制算法和導航控制算法等。FPGA架構的主要功能是采集與測量傳感器的數據，接收MSS的命令與驅動舵機。FPGA分擔了一部分原

10、可以采用MSS來實現的任務，使MSS有更多的時問用于運行算法，以提高系統的整體性能。    外圍接口電路主要由RS 232接口、GPS接口、SD卡接口、傳感器信號采集通道、發動機轉速測量通道、電池電壓檢測通道等組成。GPS和PC串口連接均需要1片MAX232芯片進行電平轉換。SD卡用于存放飛行參數及圖像數據。MSS與FPGA之間可通過GPIO進行數據傳輸。舵機驅動、無線接收機信號檢測、信號控制等功能均由芯片的內部邏輯電路來實現，采用VerilogHDL語言編寫。鑒于飛行控制和導航精度的要求，該模塊選用了TI公司的AD芯片TLC3548，用來采集三軸加速度計、高度傳

11、感器、三角速率陀螺輸出的電壓信號。AD、驅動組成框圖如圖4所示。3 軟件設計    由于飛控計算機運行的程序復雜，信息量大，對實時性和穩定性要求高，采用單任務順序機制的編程方式已不能滿足飛控系統的要求，因此飛控軟件采用了實時嵌入式操作系統COS-。COS-是專門為計算機的嵌入式應用而設計的實時操作系統，是可裁減的、基于靜態優先級的可剝奪型多任務實時內核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和微控制器，其實時性能和內核的健壯性已在大量的實際應用中得到了證實。    飛控系統的應用程序分為初始化模塊、數據采集模塊、控制解算模塊、姿態讀取模塊、GPS接收模塊、遙測發送模塊、控制量輸出模塊。任務與功能模塊資源之間的關系如圖5所示。飛行控制系統開始運行時，飛控計算機在完成自檢后，首先進行慣性導航系統的初始對準及任務諸元裝訂，接收初始對準裝置發送的初始姿態和位置信息，然后等待控制系統的啟動命令。飛控系統啟動后進行初始化設置，根據任務優先級、調用相應的程序模塊完成預定任務，各個任務之間的公共數據采用共享變量的方式進行協同，但需要采