基于SOC的无人机飞控系统实现

2018-10-30贺巍

中国科技纵横 2018年19期

贺巍

摘要：提出一种基于SOC平台的自动飞行无人机飞行控制和导航系统。用于导航、飞行控制、机载系统管理等，包括飞控、导航、命令分析与处理、电源分配与管理、任务管理、任务设备控制、通讯/数据链路控制、存储与记录子系统。这些子系统采用高度集成的一体化设计，具有轻重量，低功耗的优势。

关键词：无人机；飞行控制；飞行导航；自主飞行

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）19-0080-02

飞控和导航的硬件由飞控控制单元、数据处理加速IP和各类传感器构成。飞控控制单元应有丰富的接口，强大的数据处理能力，良好的软件开发支持。文章使用ZYNQ 7000作为系统开发平台进行设计及仿真。

1 总体设计与实现

基于SOC的总体系统框如图1所示。

SOC中ARM（PS part）处理器，用于信号测量、飞行任务管理、飞行数据记录等。SOC中的逻辑部分（PL part）实现其他功能单元，包括：数据采集控制寄存器、通用数字I/O、GPS信号处理单元、舵机伺服控制器，通信控制器、图像采集控制器、存储器、总线控制器和时钟控制器等。所有外设控制单元用AXI标准总线与ARM CPU连接在一起。

2 飞控系统的具体实现

2.1 副翼控制回路

副翼用于控制滚转轴，包含外环控制和内环控制。

2.1.1 外环：倾斜角偏差反馈

滚转控制的外环，利用倾斜角偏差计算滚转速率指令：

PCMD=saturation（K（COMMAND-），Pmax）

定义外环性能的两个参数：

倾斜角比例增益K：其倒数代表修正倾斜角偏差的时间常数，滚转速率和倾斜角偏差之间的线性关系使得倾斜角以时间的指数关系逼近。

最大滚转速率Pmax：对于大的倾斜角偏差，该量对修正倾斜角偏差所需的时间有最大的影响。

2.1.2 内环：滚转速率偏差控制

滚转轴内环控制根据滚转速率以及其当前测量值计算副翼指令。假设滚转轴惯量很小，忽略滚转加速度，从而按定常滚转状态构建控制率。滚转角速率指令实质上是欧拉滚转角速率。但测量的是体轴系的滚转角速度，因此首先需要计算欧拉滚转角速率，即：

Φ=p+tanΘ（qsinΦ+rcosΦ）

控制率由三项构成。第一项是根据滚转速率预测的副翼指令项，第二项是滚转速率偏差的时间积分，该项是为了获得副翼的配平位置，第三项是对滚转阻尼的增强，即根据滚转速率调整副翼偏角。最终的控制率由上述三项的合并通过副翼限位而得：

A=saturation（dApre+dAfee+dAdam，max）

2.2 升降舵控制回路

升降舵用来控制飞行的垂直加速度。外环采用高度和空速回路以确定垂直加速度指令。

升降舵控制率由三项构成：加速度指令预测项，加速度偏差积分项，以及为增加短周期阻尼的俯仰阻尼项。最升降舵控制指令即三项之和：

E=lim（dEpre+dEfee+dEdam，min Elevator，max Elevator）

3 方向舵控制回路

方向舵用于阻尼偏航振动和管理侧向力，即协调转弯。总的方向舵控制率为：

R=saturation（dRcoord+dRdamping，max Rudder）

4 动力控制回路

动力控制用于控制飞行的能量速率，该速率由空速变化率的垂直速率给定。高度和空速回路为动力控制回路提供了垂直速度指令和空速变化率指令。

控制率由两部分组成，即动力预测量和偏差积分的反馈量。动力预测值是根据速率指令计算而得的。反馈项则是基于需求功率和实际功率之差。

5 软件设计

软件采用Vxworks实时操作系统，用C++语言开发。软件部署在zynq的PS（ARM）部分。整个软件采用模块化设计，便于扩展和移植。软件分飞行与任务管理系统FSM、自动驾驶系统AUTOPILOT、导航系统NAVIGATOR、数据采集与记录系统DATARECODER、任务监控设备如CAMERA共六个子系统。每一个子系统都可以通过地面站独立寻址、单独控制。

各子系统的功能描述如下：

5.1 飞行管理系统FMS

飞行管理系统管理飞行计划（由一系列航路点构成）、任务计划、以及各种故障条件下的应急飞行计划等。

5.2 自动驾驶系统Autopilot

自动驾驶系统完成飞行器的增稳、姿态控制、并根据飞行计划进行航迹跟踪。

5.3 导航系统Navigator

导航系统根据各传感器的数据惊醒数据处理，给出飞行器的姿态、位置、速度及加速度等导航信息。

5.4 设备配置管理器Configurator

设备配置管理器是飞控系统的支撑系统，管理各机载传感器及驱动器的配置及校准。

5.5 数据采集与记录系统DataRecoder

数据采集系统采集、记录飞控系统各部分的关键数据，负责遥测信息的采集和传送。

各系统源/目标地址定义：