基于多核框架的无人机控制系统

吕丁豪，潘仁斌，陈正杰，丁盛梁，吴卓影，谭伟文，张庆芳

（苏州经贸职业技术学院，江苏苏州，215009）

0 引言

无人驾驶飞机简称“无人机”，在航拍、植保、测绘等领域都有应用。无人机控制系统是无人机的核心部分，是当前的研究和学习的热点。目前常见的无人机控制系统多采用单核控制系统，因为需要对多个传感数据进行采集和分析处理，同时实时性要求较高，一般采用的控制芯片价格较贵，芯片相应的程序结构也相对复杂，不易于二次开发。本文对现有无人机控制系统的功能分析，把功能分为基于传感器的数据采集部分、数据分析处理和电机控制部分、飞行数据存储和显示三部分，分别采用三个芯片进行处理，不仅很好将程序进行模块化，有效的降低对芯片性能的要求。

1 硬件电路设计

系统的硬件原理框图如图1 所示。该系统以主控制单元、数据采集单元、数据记录和显示单元为核心，由传感器模块、电机驱动模块、接收机、人机交互模块等构成。

图1 系统结构框图

■1.1 主控制模块

主控制模块由主控制单元、电机驱动模块、接收机模块组成，如图2 所示，主控制单元采用STM32F411CEU6 芯片，它是意法半导体F4 系列的MCU，拥有较高的主频和丰富的外设资源。电机驱动模块采用大力四合一电调，该电调每路支持40A 的电流输出。接收机模块采用与MC6C 遥控器相配套的MC7RB 接收机。

图2 主控制单元电路

■1.2 数据采集模块

数据采集模块由数据采集单元、传感器模块组成，如图3 所示，数据采集单元采用STM32F301K8U6 芯片，它是意法半导体F3 系列的一款MCU，拥有高速的IIC 通信外设，并比F1 系列多了一个硬件浮点运算单元。本系统采用的传感器芯片是MPU9250 和FBM320，其中MPU9250 集成了陀螺仪、加速度计和磁罗盘等传感器，FBM320 是气压计传感器。

图3 数据采集单元电路

■1.3 存储显示模块

存储显示模块由数据记录和显示单元、人机交互模块组成，如图4 所示，数据记录和显示单元采用STM32 F103CBU6 芯片，它是意法半导体F1 系列的一款MCU，其价格便宜，市场占有率高，其性能足够满足人机交互性能要求。

图4 数据记录和显示单元电路

2 软件部分设计

系统程序软件由主控制模块程序、数据采集模块程序和存储显示模块程序组成。

■2.1 主控制模块程序

如图5 所示为主控制模块程序的流程图，此模块负责接收决策信号、转发数据和控制电机。系统上电启动后先初始化串口外设，接着接收数据采集模块发送的数据，数据接收成功后，系统对数据进行分析，进行电机控制。

图5 主控制模块程序的流程图

■2.2 数据采集模块

如图6 所示为数据采集模块流程图，此模块负责读取传感器的数据并记录传感器的状态。系统上电后执行导航程序，将数据传递给主控制单元。系统启动后需初始化与主控制单元通讯的USART 外设、与传感器通讯的IIC 外设、传感器。

图6 数据采集模块流程图

■2.3 存储显示模块

如图7 所示为存储显示模块流程图，此模块主要负责数据显示和存储，系统对接收的数据进行重组，同时进行按键扫描、屏幕显示和SD 卡数据写入。

图7 存储显示模块

3 结语

本文对无人机的控制系统进行改进，用多核控制系统替代单核控制系统，降低了系统对芯片性能的要求，增加了系统的计算能力，有效的提升了系统的实时性，同时，在多核的硬件基础上，对程序结构进行改进，模块化程序，降低了二次开发的难度。