一种面向中小型无人机的飞控计算机设计与实现

马小博 杜文亮 王博

摘要：针对中小型无人机的应用背景和设备特点，设计实现了一种双余度的通用型飞控计算机，采用同构型双余度容错体系架构，延伸通用化、模块化的设计思路，软件方面配置了两种嵌入式操作系统环境，在无人机方面具有较好的通用性。

关键词：中小型无人机 飞控计算机 双余度容错

引言

本文结合中小无人机的应用背景和设备特点，设计了基于双余度系统的飞控计算机计算平台，利用商用货架电子模块，综合了更多的功能，可实现一台计算机对无人机的控制与管理。

1 飞控计算机系统架构

1.1飞控计算机系统功能

飞控计算机是飞控系统内的核心处理机，其主要功能可划分为：

a.系统控制功能：飞控计算机实现对整个飞控系统的监测;支持飞控系统周期任务的调度;飞机飞行模式的选择;飞控系统故障的处理、记录、申报;飞控系统的测试与维护功能。

b.飞行控制与管理功能：稳定飞机姿态角及飞行高度;控制飞机的飞行状态;控制飞机的回收;飞行状态数据的采集与处理。

c.飞控计算机除了应满足系统的控制与管理功能外还应具有一定的高可靠性，应采取容错余度设计。

1.2飞控计算机整机架构

飞控计算机采用同构型双余度通道容错结构，每个通道的配置按照模块化设计且可配置，即通过增减模块的方法可满足系统组成的要求。主要模块由主处理器（CPU）模块、串行通讯接口（SIO）模块、模拟离散接口（ADIO）模块、二次供电（PS）模块、数据存储电子盘、GPS模块以及连接各模块组件的母板组成，图1为飞控计算机的结构图。

1.3飞控计算机的安全工作模式

飞控计算机在无故障的情况下A通道优先级高于B通道，控制指令由A通道送出，B通道处于备份状态，当A通道出现故障被判定通道失效而B通道正常时，B通道替代A通道工作，此时系统转入单机工作方式，系统不再进行同步和CCDL传输，详见表1。

2 通用模块化硬件平台实现

2.1处理器模块

CPU模块实现控制律计算，余度管理，任务设备管理以及检测的功能。微处理器采用低功耗PowerPC8245，主频266MHz，局部总线频率为33MHz，128Mbytes 64位SDRAM，256Mbytes 64位USER FlashTM存储器，12Mbytes 8位SYSTEM FlashTM存储器，64kbytes 8位nvRAM存储器，4个32位定时器，2路RS232串行调试接口，1路10M/100M以太网开发接口，总线频率为33MHz的PCI总线接口，支持1个PCI设备。

2.2 ADIO模块

ADIO模块设计实现故障逻辑，同步电路，CCDL电路，具有16路的地/开离散量I/O接口，16路的模拟量I/O接口，12bit精度，±10V电压范围，转换时间10us，4路频率（最大1KHz）输入接口，电压范围±5V。

模拟量输入电路实现输入信号的抗噪滤波、比例调节、同步解调、二阶滤波、双级选通、过压限幅、A/D转换电路和BIT激励测试电路，信号转换精度12位;离散量输入输出接口为采集、驅动输出飞控系统所需的离散量信号提供接口资源。

2.3 SIO模块

SIO模块采用智能处理的方式，处理器选用TI公司的DSP芯片。串行输入输出控制芯片选用TI公司的TL16C554。SIO结构上设计背接电子盘接口，设计有具备PATA接口和IDE转LBE总线接口背接具有USB功能的电子盘模块，可通过主CPU模块访问电子盘，并且将电子盘USB接口通过母板连接至机箱USB口，也可通过外部上位机通过USB访问电子盘。

2.4 PS模块

电源模块给计算机内部提供数字+5V、模拟±15V电源，其主要电路有升压电路，主变换电路，5V输出处理电路、±15V 输出处理电路。电源设计符合GJB181A-2003《飞机供电特性》要求，输入直流电压额定值为28VDC，输入直流电压变化范围为（18～32）VDC。输入电源首先通过大电流滤波器，然后进入计算机机箱内以用于防止电磁干扰。

2.5 电子盘与GPS模块

无人机的数据记录、GPS等均为无人机的重要设备。该产品的电子盘电子盘选择商用电子盘，采用SLC NAND FLASH存储载体，容量4GB，主模块通过IDE转LBE供CPU模块访问，提供USB访问接口。GPS模块同为外购货架产品，选用NovAtel的OEMV-2高精度GPS模块，实现遥感和位置测量。

3 飞控计算机软件配置

飞控计算机系统软件是计算机的核心程序，由实时多任务操作系统、标准测试模块、余度管理支持模块、设备驱动程序功能模块和地面支持系统组成，负责控制管理全机资源，包括CPU、内存、中断源、接口和任务管理等，为增强飞控计算机的通用性，配置有两种商用嵌入式实时操作系统分别是风河公司的Vxworks和QNX软件公司的QNX操作系统及其开发环境。支持在两种操作系统下的资源管理、任务调度、机内自测试、余度管理、文件系统等，可拓展应用于航空、汽车、船舶、兵器等多种领域。

4 小结

本项目研制了满足中小型无人机的飞控计算机，解决了中小无人机采用高可靠容错计算机面临的成本瓶颈，实现了中小无人机飞控系统可靠性的提高，突破了在安全关键系统中综合非安全关键系统电子设备这一关键技术该型飞控计算机目前通过了电磁兼容，电源供电特性、温度、振动等恶劣环境试验，完成了系统地面试验和试飞试验，已在多型中型和小型无人机上应用。

参考文献

[1]李鹏勇，王海.美军无人机先进机载侦察感知系系统，《国防科技工业》，2018.04.

[2]Unmanned Aircraft System Roadmap 2005～2030.

[3]姚一平，李沛琼.可靠性及余度技术[M].北京：航空工业出版社，1985.