基于SOPC的微型无人机飞行控制系统设计

宋　宇, 宋隽炜

(长春工业大学 计算机科学与工程学院，吉林 长春 130012)



基于SOPC的微型无人机飞行控制系统设计

宋宇, 宋隽炜

(长春工业大学 计算机科学与工程学院，吉林 长春 130012)

针对无人机(UAV)飞控系统的发展要求，提出了一种基于可编程片上系统(SOPC)技术的设计方案，自顶向下地利用软硬件协同设计方法实现整个过程的设计。主控芯片采用Cyclone II系列的EP2C8Q208C8N，进而设计系统的外围电路；借助NIOS II软件写入程序实现对无人机的控制。与传统的无人机控制系统相比，该系统适应了集成度高、功耗低、体积小的发展要求。悬停试飞,机体晃动小，且在外界干扰时能自动调整姿态，保持稳定飞行，具有较快的响应速度。

可编程片上系统； 飞行控制系统； 微型无人机

0　引　言

无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)是一种自推动的飞行器，可以由操作员遥控或者自动驾驶。近年来，无人机得到了前所未有的发展[1]。从使用功能上看，已从单一侦查扩展到侦查监视、目标指示、电子对抗、无人作战、预警、通信中继、航空遥感、灾情检查、气象监测等多种用途。随着新型航空传感器、传动装置，嵌入式控制和通信系统的发展以及机载零件的小型化，性能越来越好的小型、迷你、微型无人机将是未来的发展方向。

主控器所采用的微处理器会综合考虑无人机飞行任务、性能指标、应用场合和资金预算，以及微电子技术、航空技术、算法复杂程度等因素。目前有基于工业级计算机、单片机、数字信号处理器(DSP)、ARM、现场可编程门阵列(FPGA),可编程片上系统(SOPC)这几种处理器的无人机飞行控制系统[2]。工业控制计算机集成度高、资源丰富，但体积较大、功耗较高、系统复杂和造价高，一般多用于大型无人机；单片机稳定、价格低廉、开发简单和嵌入性好，但不能够胜任功能复杂、传感器多的无人机；DSP的优点是控制运算，能将复杂的控制算法较好地实现，ARM在数据采集量大但运算量一般，需要实时控制输出的场合更能发挥其优势[3]；FPGA除灵活性较大、接口丰富外，还可以内嵌一些特定的IP核构造出一个SOPC，通过硬件逻辑实现运算处理和控制算法，相比软件方法能获得更好的性能和效率[4]。因此，将SOPC技术应用于无人机飞行控制系统逐渐成为研究的热点。

1　飞控系统总体设计

传感器、飞行控制器和伺服机构是飞行控制系统的主要组成部分[5]。传感器一般包括稳定姿态的三轴陀螺仪、测定加速度的三轴加速度计、测定磁场强度三轴磁阻仪、测定气压的气压高度计、测定飞行速度的空速传感器以及GPS接收模块和电压电流计；飞行控制器由主控芯片和外围电路组成；四旋翼的伺服机构是无刷直流电机。飞行控制系统通常还包括遥控接收机、无线收发模块和常见的任务载荷。图1是飞行控制系统原理图[6]。

图1　无人机飞行控制系统原理图

飞行控制器根据遥控指令或预设程序的姿态和航迹参数，综合传感器采集得到的姿态和导航信息，然后运用姿态增稳和导航控制算法，控制伺服机构输出，改变控制量大小，使飞行器趋于指令或程序设定的状态飞行。姿态增稳控制回路主要实现飞行器按照既定的姿态稳定飞行；导航控制回路主要控制飞行器按照既定高度、速度、航向、航点(航迹)准确飞行。一般把姿态增稳控制回路作为内回路，导航控制回路作为外回路，这样就构成一个完整的飞行控制系统，飞行控制系统总体设计方案如图2所示。

图2　无人机飞行控制系统总体设计方案

2　系统硬件设计

无人机飞行控制系统硬件设计以飞行控制器为核心，而飞行控制器以FPGA芯片为核心，所以,整个系统设计都必须围绕FPGA芯片，包含电源分配、接口电路设计、抗干扰措施等。

2.1电源分配

系统采用3节(3S)标准锂电池(3.7 V)串联构成的11.1 V总电源，总容量为2 200 mAh。其中无刷直流电机采用11.1 V供电，同时电调需要将低电压的控制信号转换成11.1 V的PWM信号。11.1 V电源经过稳压器件78L05后得到5 V电压给电调、遥控接收机、空速计、A/D转换器、LED驱动电路和蜂鸣器驱动电路供电。5 V电压经AMS1117—3.3 V稳压得到3.3 V电压，给FPGA芯片、时钟复位电路、SDRAM存储电路、Flash存储电路、配置下载电路、陀螺仪和加速度计、磁强计、气压高度计、GPS模块和无线数据传输模块供电。3.3 V电压经AMS1117—1.2 V稳压得到1.2 V电压，给FPGA芯片供电。

2.2接口电路设计

本系统采用Cyclone II系列的EP2C8Q208C8N FPGA芯片，该芯片总共有208个引脚，其中最大可用I/O端口182个，所以可以满足各模块接口的要求。

由于系统主控芯片FPGA采用3.3 V供电，在与5 V器件进行数据交换时，需要进行接口电平匹配，可以通过将5 V芯片的I/O端口接上拉电阻，将3.3 V的I/O端口串联一电阻完成接口电压兼容。

整个系统接口电路包括I2C、SPI、UART和普通I/O，其中磁强计HMC5883L采用I2C通信接口，采用SPI通信方式的有MIMU惯性传感器MPU6000、气压高度计MS5611—01BA和A/D转换器MAX186，GPS接收机NEO—7M和无线数传模块APC320采用UART通信方式，PPM信号输入输出接口、SDRAM存储器接口、Flash存储接口和LED状态输出接口使用普通I/O端口。FPGA芯片的电源接口、PLL模块接口和配置下载接口构成FPGA最小系统接口电路。

2.3抗干扰措施

为使飞行控制系统各部分稳定可靠地运行，在设计飞行控制系统硬件时，应提高系统的抗干扰能力和电磁兼容性以适应系统内部环境和外部环境，采取如下措施[7]。

在电源输入、输出端加滤波电容，在每个集成电路芯片附近放置一个0.01 μF的瓷片电容。靠近各芯片的电源输入端加上0.1 μF滤波电容，以消除电源的噪声。元件在印刷电路板(PCB)上的布局位置要充分考虑电磁兼容性问题，即将模拟地与数字地分开，并通过电容进行耦合。导线要尽量粗而短、避免信号线与电源和地线交叉、避免长距离平行布线、过孔要少等。最后，采取外加铝屏蔽罩的方法将系统与外界隔离。

3　系统软件设计

飞行控制系统的软件设计[8]采用模块化思想，飞行控制器主要用来协调系统各单元间的工作，完成信息采集、处理、输出的任务。

系统上电后，首先根据飞行管理模块的状态参数进行系统初始化，包括传感器、系统参数、通信、端口等初始化。接下来系统查询按键是否被按下，若按下了转去执行相应的子程序；进而读取传感器测量的各种参数，包括速度、海拔、方位、飞机姿态，以及电池的一些参数等；在获取了飞行姿态后，陀螺仪实时自动矫正飞机姿态。通过按键设定最大用电量，以便在电量不足时发出报警提示。飞机具有两种驾驶模式，当接收机收到手动驾驶信号，飞机就在遥控的控制下飞行，当收到自动驾驶信号，飞机根据传感器测的参数以及预先设置的航线自动飞行。主程序如图3所示。

图3　主程序流程图

4　试　飞

通过实际飞行来测试设计的四旋翼飞行控制系统。遥控四旋翼飞行器，使其飞到合适的高度，观测悬停时的姿态角的稳定度，图4为四旋翼飞行器在悬停飞行时的横滚角、俯仰角和偏航角输出曲线[9]。

图4　四旋翼飞行器悬停时输出曲线

从四旋翼悬停飞行时的角度输出曲线可见，横滚角、俯仰角、偏航角误差保持在±1°～±2°，悬停时机体晃动小，且在外界干扰时能自动调整回姿态，保持稳定飞行，系统具有较快的响应速度。

5　结束语

针对无人机飞控系统的发展要求，利用SOPC丰富的软硬件资源和IP资源的优点，设计了一种新型的飞行控制器。通过多次的飞行试验验证表明：该系统在外界干扰时,能自动调整姿态，保持稳定飞行，具有较快的响应速度。该系统适应了飞控集成度高、功耗低、体积小的发展要求，为相关研究提供了技术参考。

[1]赵宇博,张小林,范力思.基于SOPC的飞行器控制系统的硬件设计[J].计算机测量与控制，2010(9)：2112-2114.

[2]王昱辉,雷金奎,田力.基于SmartFusion的无人机飞行控制系统设计[J].现代电子技术,2012(10):129-131.

[3]陈远炫,裴海龙,陈勇.小型无人机飞行控制系统的硬件设计与实现[J].计算机工程与设计，2010(10):2159-2162.

[4]刘鹏飞,贺继林,黄斌.基于SOPC技术的无人机飞控系统的设计[J].航空科学技术，2007(3):39-41.

[5]刘根旺.飞行器控制系统设计与仿真实验平台的构建[J].实验室研究与探索，2008(3):26-28.

[6]徐存东，赵东方，苗耀洲.一种新型无人机飞行控制系统的设计[J].仪表技术，2009(9):10-12.

[7]胡仁旭,裴海龙.小型无人机飞行控制系统的硬件实现[J].制造业自动化，2007,29(11):40-42,51.

[8]郭杨，翁新武, 基于AVR单片机的UAV飞行控制系统[J].长春工业大学学报:自然科学版，2013(2):40-42,51.

[9]江杰,岂伟楠.四旋翼飞行器建模与PID控制器设计[J].电子设计工程,2013(23):147-150.

宋隽炜,通讯作者，E—mail：1290391324@qq.com。

Design of micro UAV flight control system based on SOPC

SONG Yu, SONG Jun-wei

(College of Computer Science and Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012,China)

Aiming at demand for development of unmanned aerial vehicle (UAV) flight control system,propose a design scheme based on SOPC technology.By using method of collaborative design of software and hardware,realize design of whole process from top to down.Use Cyclone II EP2C8Q208C8N as main control chip,and then design peripheral circuit of system.By writing procedures with NIOS II software to achieve control of the UAV.Compared with conventional UAV control system,the system adapts to development requirements of high integration,low power consumption, small size.Its body shakes slightly during hover flight and it can automatically adjust attitude and flight stably with a fast response when there is outside interference.

system on programmable chip(SOPC); flight control system; micro unmanned aerial vehicle (UAV)

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0101—03

2015—11—05

TP 391.8

A

1000—9787(2016)09—0101—03

宋宇(1969-)，男，吉林省长春人，教授，主要研究方向为嵌入式系统设计与研究。