飞行控制器硬件系统的设计

出处:维库电子市场网时间:2024-05-15
  飞行控制器以S3C6410和CPLD (EPM1270)为,将无人机系统各部分有机整合,硬件架构如图 4—43 所示。
  S3C6410 采用 ARM1176JZF—S 的核,该校在1.2V电压下可以达到667 MHz的运行频率,该频率保证了飞行控制器有较强的计算能力。S3C6410拥有丰富的接口,通过UART(通用异步收发传输器)串口通信连接了GPS模块和数传电台; SPI (串行外设接口)连接了ADIS16365惯性系统传感器(含加速度、角速度传感器)及两个MSSS40C气压传感器。S3C6410可连接大容量内存和FLASH闪存,本设计中配置了256 MB的DDR RAM和1GB 的 NAND FLASH 闪存,大容量的内存是飞行控制器进行大量计算及数据存储的保证。
  CPLD 模块选用ALTERA公司的EPM1270 芯片,该模块完成:遥控接收机控制指令的接收及解码;多路PWM控制指令的解码及输出;任务载荷的控制管理。CPLD的应用使得飞行控制器在处理遥控指令、姿态控制上具备了运算速度快、实时性强的特点。
  基于上述两模块构建的飞行控制器,按其功能可分为:导航功能模块、姿态控制功能模块、通信功能模块、任务载荷功能模块。本任务选取导航功能模块和姿态控制功能模块的硬件设计进行阐述。
  1. 导航功能模块的硬件设计
  导航功能模块主要实现无人机按设定航点、航线飞行的功能,这需要计算无人机当前的位置和目标位置之差。本任务设计了GPS、气压传感器来获取无人机当前的位置信息,即经度、纬度、高度、速度、航向等。在硬件设计上,设计了UART口与GPS模块连接,气压传感器与 GPIO 口连接的外围硬件电路。
  飞行控制器的GPS模块采用的是UBLOX公司型号为LEA—SH的GPS模块,本设计中GPS模块采用的是外接的形式,即GPS模块可根据机体的实际情况放置在合适位置,所以设计时在飞行控制器主板的接口中预留 TX、RX、VDDSV、GND 四个引脚,这四个引脚连接到MCU 的 UART 口。
  飞行控制器的两个气压传感器都采用瑞士INTERSEMA公司的MSSS40C芯片,一个用以测量飞机的高度,另一个用来测量飞机的空速。MS5540C具有以下性能特点:
  (1)高分辨率。具有16位的ADC (模—数转换器)分辨率,可以提供依赖于压力和温度的16位数字。压力测量范围为1000~110 000 Pa,分辨率为10 Pa,温度测量的分辨率为0.005 ℃~0.015℃。
  (2)高精度。模块中存储了6个标定参数,用于高精度的软件补偿和校正。压力的精度为±150Pa,相对精度为±50Pa,温度精度为±0.8℃。
  (3)低供电电压、低功耗。模块的供电电压为2.2~3.6V,可低电流工作,平均工作电流为4μA,转换期电流为1mA,待机电流为 0. 1μA,并具有自动关闭电源的功能。
  (4)接口简单。模块外接一路32.768kHz的系统时钟,可以通过三线串行接口与微控制器或其他数字系统进行通信。
  (5)小体积。模块体积为6.2mm×6.4mm×3.7mm。
  本设计中利用S3C6410的SPI 通信接口实现速度与加速度传感器的数据通信。MSS540禽要外接工作时序脉冲,利用CPLD分频后产生相应的工作脉冲,接入MSSS40。其余MSS540通信引脚都与普通 10 相连。
  2. 姿态控制功能模块的硬件设计
  姿态控制功能模块主要由采集姿态数据和输出姿态控制指令两部分构成。本任务姿态传感器采用ADI公司的ADIS16365六自由度惯性传感器。ADIS16365内部集成3个数字陀螺仪和3个数字加速计,测量范围可达+300%s, ±18g,角度分辨率为±80%/s。自制和数据收集装置不需要外部配置命令,启动时间为180 ms,

  休眠模式恢复时间为4 ms。 ADIS16365提供一个串行外部接口 SPI。硬件电路设计上,SPI 通信端口的连接如图4—44所示。ADIS16365对于电压的稳定性要求较高,其工作电压为 4.75~5.25V,系统板电源设计上要考虑到电压的输出范围。

  姿态控制是通过控制无人机上各数字舵机的转角大小和动力大小来实现。本任务中无人机以锂聚合物电池作为动力电源,
  由电子调速器来控制直流无刷电动机的转速,电子调速器通过输入的PWM信号控制。数字舵机的转动角度由输入到舵机信号线的PWM信号决定。本任务中无人机上的4路PWM控制信号,周期为20ms,脉宽范围为1~2ms,都由CPLD产生。
  飞行控制器在特定模式下可接收地面遥控器的指令实现姿态控制,指令分为升降、副翼、方向、油门、是否定高、是否盘旋、是否开伞、平衡量、任务载荷9个通道发送到无人机上的遥控接收机,遥控接收机转换为PWM信号后,由CPLD采集。

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