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μC／OS-Ⅱ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；μC／OS-Ⅱ

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。

(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ProASIC3FPGA架構，使用先進的130nm七層快閃CMOS工藝技術，系統門密度范圍為60K～500K，并具有350MHz的工作頻率和最多204個I／O。這種組合能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100MHz工作頻率的ARMCortex-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16Gb／s，帶有RMI接口的10M／100M以太網MAC和SPI，I2C，UART和32位定時器。具有最高512KB閃存，64KBSRAM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)能執行采樣排序和計算，能夠分擔ARMCortex-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600KS／s的12位ADC，最多3個12位第一階DAC、10個50ns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RS232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A／D芯片TLC3548，用來采集三軸加速度計、高度傳感器、三角速率陀螺輸出的電壓信號。A／D、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μC／OS-Ⅱ。μC／OS-Ⅱ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，但需要采取一定的保護措施。

4結語

基于SmartFusion的無人機飛控系統