无人靶机飞行控制系统设计和实现 机械制造及其自动化专业

摘要

针对无人靶机对飞行控制系统任务控制、接口、性能、体积和重量等的要求，本文开展了

以DSP处理器为核心的无人靶机飞行控制系统的研究，完成了系统的硬件设计、测试及底层驱

动软件设计、测试，为无人靶机飞行控制率设计开发奠定了坚实基础。

本文研究了无人靶机飞行控制系统的特殊性和国内外研究现状，根据无人靶机对飞行控制

系统的需求，完成了以DSP处理器为核心的K行控制系统的硬件方案设计。在设计方案中采用

模块化设计思想，按照系统功能组成将飞行控制系统划分为控制单元、传感器、执行机构、测

控模块、系统电源。

其次，基于DSP微处理器的最小系统，实现了由时钟电路、复位电路、调试接II电路、存

储器扩展电路构成CPU模块的硬件设计，解决/系统可靠性以及存储器资源不足的问题。根据

系统集成多种传感器、执行机构、测控模块和任务功能单元的特点，开展并完成了多路模拟量

输入（ADC）接口、多种电气规格的串行通信接口和多路PWM接口电路的设计与实现。

再次，根据系统各模块的供电需求，完成了二次电源与配电的详细设计。为了提高系统的

可靠性特别是电磁兼容性，采用信号流向设计、模拟与数字单点共地、光电隔离、电源分割等

技术，完成了多层板布线设计与制作，降低了电磁干扰，提高了系统工作的稳定性和可靠性。

本文最后开发了飞行挖制系统驱动软件。对系统硬件的功能和性能进行单元测试和系统集

成测试，在硬件设计和底层开发软件基础上，验证了飞行控制系统硬件设计正确性。

关键词：无人靶机，DSP,飞行控制系统

ABSTRACT

Withthestrictrequirementsonflightcontrolsystemperformance,itssizeandweightoftarget

drone,thispaperdesignstheflightcontrolsystembasedonDSPprocessorfortargetdrone,which

laysasolidfoundationforperformancetestandthesoftwaredevelopmentoftargetdrone.

Afterdescribingtheresearchstatusofflightcontrolsystemfortargetdroneintheworld,the

wholehardwareschemebasedonDSPprocessorisgiveninordertomeetthetargetdroneflight

controlsystemfunctions.Andflightcontrolsystemisdividedintothecontrolmodule,Sensor,

actuator,measurementandsystempowersupply.

Secondly,thecontrolmodulebasedontheminimalsystemofDSPmicroprocessorisdeveloped,

whichconsistsofclockpart,restetpart,debuggingpartandmemeorypart.Then,theinterfacecircuits

relatedADinterface,serialcommunicationinterfaceandPWMinterfaceisgivenaccordingtothe

propertiesofsensors,actuators,wirelesscommunication.

Thirdly,detaileddesignofsecondarypowersupplyandpowerdistributionwasaccomplished,

whichisbasedontheelectricitydemandofeachmoduleinthesystem.Inordertoimprovethe

reliabilityofsystem,especiallyforelectromagneticcompatibility,sometechnologies,suchas

signal-flowdesign,analogueanddigitalsingle-pointgrounding,optoelectronicisolation,power-layer

andgrounding-layersegment,isusedintheharcwarccircuits,whicheffectivelyreducedthe

electromagneticinterferenceandimprovedthesystemoperatingstabilityandreliability.

Aftercompleternentofdevicedriversoftwaredevelopment,onthebasisofhardwaredesignand

theunderlyingdevelopmentsoftware,theunittestandsystemintegratedtestwerecarriedoutforthe

hardwaresysiem.Verifythecorrectnessoftheflightcontrolsystemhardwaredesignedfortarget

drone.

KeyWords:TargetDrone,DSP,flightcontrolsystem

目录

摘要...............................................................................i

ABSTRACT...................................................................................................................................................ii

目录..............................................................................iii

图表清单.............................................................................v

注释表..............................................................................vi

第一章绪论..........................................................................1

1.1引言.........................................................................1

1.2飞行控制系统研究现状........................................................1

1.2.1国外研究现状...........................................................2

1.2.2国内研究现状...........................................................3

1.3研究内容和章节安排..........................................................5

第二章系统设计方案.................................................................6

2.1引言.........................................................................6

2.2系统方案设计.................................................................6

2.2.1控制单元...............................................................7

2.2.2传感器构成.............................................................8

压力传感器............................................................8

IMU传感器...........................................................9

2.2.23GPS模块............................................................10

2.2.2.4垂直陀螺...........................................................10

2.2.3执行机构..............................................................10

2.2.4测控模块..............................................................11

2.3本章小结....................................................................11

第三章飞行控制系统硬件设计........................................................12

3.1引言........................................................................12

3.2CPU硬件电路设计...........................................................13

3.2.1时钟电路设计..........................................................13

3.2.2外部看门狗电路设计...................................................14

3.2.3调试接口设计..........................................................15

3.2.4存储器扩展电路设计...................................................15

3.3接口电路设计................................................................16

3.3.1压力传感器接口........................................................16

3.3.2IMU传感器接口.......................................................17

3.3.3GPS接口.............................................................18

3.34测控模块接口........................................................19

3.4执行机构电路设计...........................................................19

3.4.1PWM输出接口设计....................................................19

3.4.2PWM捕获接口设计....................................................20

3.5离散量电路设计.............................................................20

3.6UART串行接口设计.........................................................21

3.7系统电源设计...............................................................21

3.7.1供电需求分析..........................................................22

3.7.2电源设计方案..........................................................22

3.7.4电源电路设计..........................................................23

3.8PCB设计...................................................................24

3.9本章小结...................................................................26

第四章驱动软件设计................................................................27

4.1引言........................................................................27

4.2实时嵌入式操作系统选型及移植..............................................27

4.2.1DSP/BIOS在TMS32OF28335上的移植...................................27

DSP/BIOS配置文件的建立与设置......................................27

423.2加载DSP/BIOS程序的编写............................................30

4.3模拟量驱动设计.............................................................31

4.3.1DSP的SPI及初始化...................................................31

4.3.2A/D接口驱动设计.....................................................32

4.4串口驱动设计................................................................33

4.4.1集成串口驱动..........................................................33

4.4.2外部扩展串口..........................................................33

4.5PWM驱动设计..............................................................34

4.6离散量驱动设计.............................................................34

4.7本章小结...................................................................34

第五章系统硬件测试和验证..........................................................36

5.1弓I言........................................................................36

5.2测试方案...................................................................36

5.3电源模块测试................................................................36

5.4CPU最小系统...............................................................36

5.5接口测试...................................................................37

5.5.1模拟量通道测试........................................................37

5.5.2串行通信接口测试.....................................................37

5.5.3PWM接口测试........................................................38

5.5.4离散量接口测试........................................................38

5.6集成测试和验证.............................................................38

5.7本章小结...................................................................39

第六章总结与展望..................................................................40

6.1本文主要研究工作...........................................................40

6.2后续工作展望...............................................................40

参考文献............................................................................42

致谢..............................................................

在学期间发表的学术论文.............................................

图表清单

图1.1PiccoloPlus飞控系统结构图.................................................3

图1.2MicroPilotMP21)28g飞控系统结构图.........................................3

图L3飞控系统的硬件结构图......................................................4

图2.1无人机飞行控制系统结构框图...............................................6

图2.2无人靶机£行控制总体方案..................................................7

图2.4传感器的组成..............................................................8

图2.5MPXV5004G实物和内部结构图.............................................9

图2.6MPXAZ6115A实物和内部原理图............................................9

图2.7ADIS16407结构原理.......................................................10

图2.8N920测控模块............................................................11

图3.1飞行控制系统结构框图.....................................................13

图3.2时钟信号产生电路原理图...................................................14

图3.3上电复位电路原理图.......................................................14

图3.4MAX1232结构原理........................................................14

图3.5JTAG调试接口............................................................15

图3.6外扩存储器的总线接口图...................................................15

图3.7压力传感器电路图.........................................................16

图3.9AD7689与DSP连接的电路图...............................................17

图3.10基准电压电路............................................................17

图3.16ADIS16407接口电路及电平转换电路......................................18

图3.17GPS接口电路图..........................................................18

图3.19N920接口电路图.........................................................19

图3.11PWM输出电路图........................................................20

图3.12PWM捕获电路图........................................................20

图3.13火工品控制电路..........................................................21

图3.15串口扩展电路原理图......................................................21

图3.20系统电源分配示意图......................................................23

图3.21I8V~36V转5V电路图....................................................24

图3.245V转3.3V电路图........................................................24

图3.255V转L8V电路图........................................................24

图3.28PCB布线结果图..........................................................25

图3.29PCB板实物图............................................................26

图4.4QSPI主机模式初始化流程图...............................................32

图4.5A/D转换的流程图.........................................................33

图5.9集成测试环境构成.........................................................39

表3.1输入输出功能.............................................................12

表3.3系统主要器件电源需求.....................................................22

表5.1模拟电压采样..............................................................37

表5.3PWM捕获测试结果.......................................................38

表5.4离散量测试结果...........................................................38

表5.5接口参数测试表...........................................

注释表

缩写英文全称中文名称

ADCAnalog-to-DigitalConverter模数转换器

CPUCentralProcessingUnit中央处理器

DACDigital-to-AnalogConverter数模转换器

DI/ODigitalInput/Outpul数字量输入输出

DSPDigitalSignalProcessing数字信号处理器

FlashFlashMemory闪存存储器

FPUFloatingPointUnit浮点运算单元

GPSGlobalPositionSystem全球定位系统

AttitudeandHeading

AHRS航姿参考系统

ReferenceSystem

JTAGJointTestActionGroup边界扫描测试接口

LDOLowDropOut(voltageregulators)低压差输出

MEMSMicroElectromechanicalSystem微电了•机械系统

MIOSModularInput/OutputSubsystem标准输入输出子系统

SPISerialPeripheralInterface队列式串行外设接口

PCBPrintedCircuitBoard印刷电路板

PWMPulseWidthModulation脉宽调制

RAMRandomAccessMemory随机访问存储器

RCPURISCMCUCentralProcessingUnit精简指令处理器内核

ROMReadOnlyMemory只读存储器

SCIScalableCoherentInterface可扩展一致性接口

SPISerialPeripheralInterface串行外设接口

SRAMSialicR;indoiiiAccessMcmuiy静态随机访问存储器

UniversalAsynchronous

UART通用异步收发器

ReceiverandTransmitter

UAVUnmannedAerialVehicle无人机

VI

第一章绪论

1.1引言

无人机(UAV,UnmannedAerialVehicle)即无人驾驶飞机，一种能够通过无线电控制和按照

预定航路自主飞行的飞行器。其自身配备了自动驾驶系统、自主导航系统、自主回收装置、遥

控与遥测系统等，不同用途的无人机根据其需求还配备不同的任务执行系统，如农业无人机要

配备自动播撤器，灭火无人机需要配备红外灭火器，军用无人机可以配备电子侦察系统、电子

干扰系统或者武器系统等等，能够实现的功能非常多。早在1913年人们就已经证实了自动驾驶

仪可以自动操纵飞行器。1917年英国人研制成功了世界上第一架无人驾驶飞机，一台由无线电

设备遥控的小型单翼飞机，但是当时因为有许多技术条件还不够成熟导致试验最终失败。在军

事应用领域，直到20世纪30年代初，第一架无线电遥控的无人靶机研制成功。

无人靶机是用于鉴定地空导弹、空空导弹、航空机炮或高射炮效能及供歼击机部队打靶训

练使用的无人驾驶飞机，是无人机家族中的重要成.员。无人靶机具有可重复使用、搭载能力强

和低成本等优势，是防空武器系统研制、试验、鉴定以及训练中不可缺少的重要保障性器材，

为防空武器系统的传感器、武器试验和训练提供逼真的空中靶标，可以全面地对舰载防空武器

的制导系统和作战效能进行试验和评估。

飞行控制系统是无人靶机的关键技术之一，是无人靶机完成发射起飞、空中飞行、执行任

务、回收等整个飞行过程的核心控制系统，不仅完成无人靶机的内外回路航迹控制，还完成无

人靶机的导航、制导、飞行任务管理、任务载货管理与控制，强调系统稳定性、控制与导航精

度等性能指标和任务管理能力，特别是自主导航能力，对无人靶机实现全权限控制与管理，因

此对无人靶机的功能和性能起关键、决定性作用。

1.2飞行控制系统研究现状

无人靶机的匕行控制系统一般由低功耗的嵌入式处理器、低成本的传感器、执行机构以及

无线通讯设备共同组成。由于传感器体积和功耗限制，精度相对较低，如何利用这些低精度的

传感器来熨现高精度的飞控系统成为设计的难点。近些年，以美国为代表的西方国家，投入大

量的经费开展对飞控系统及其关键部件的研究，使其精度和可靠性得到很大的提高，很多研究

成果已转化成产品，并投入市场。在国内对无人机也成为一个研究热点，但真正有自主产权飞

控系统产品的单位并不多⑺。

1914年，美国人斯派雷首次研制成功一种电动陀螺稳定装置，它是无人机自驾仪的雏形。

20世纪30年代，三轴稳定的自驾仪被应用到飞机上以减轻驾驶员长时间飞行的疲劳。上世纪

50年代，人们通过将角速率信号引入到自驾仪中的方法制成了阻尼器自增稳系统，从而改进了

飞行的稳定性，标志着自动驾驶仪发展成飞行自动控制系统。50年代后期，又出现了能随飞行

器特性的变化而改变自身的结构和参数的自适应自驶仪。60年代末，数字式自驾仪首次在阿波

罗飞船中得到应用。自驾仪的种类较多，可按应用对象、调节规律和能源形式等分类。现代自

驾仪正趋向着数字化和智能化的方向发展。现在自动驾驶仪已广泛应用于飞机，并且通常都是

数字式自动驾驶仪。机载飞控能够确定最佳航行线路，对油门和各控制翼面发出指令，并能够

控制爬升和下降等动作，各种先进的显示器代替了种类繁多的仪表盘，能直观地显示出飞机航

向、沿途检查站等信息。

伴随着电子技术和计算机技术的飞速发展。无人机控制系统在性能、功能、结构和工艺上

都有着飞速的提高和发展。在早期用于控制系统的电子部件主要是完成放大校正和综合功能，

那时的电子部件相对比较简单，大都是模拟器件。20世纪70年代之后，随着晶体管技术的飞

速发展，自动驾驶仪中电子器件的功能也趋向功能的复杂化和高集成度。

1.2.1国外研究现状

(1)PiccoloPlus飞控系统

美国CloudCapTechnologyInc公司牛.产的一款适用于小型无人机的PiccoloPlus飞控系统，

以PiccoloPlus为代表的飞密系统的结构图如图1.1所示。PiccoloPlus的核心处理器为MPC555,

集成了惯性传感器、大气数据传感器和GPS模块等。惯性传感器由三个TokinCG-16D速度陀

螺和三个ADXL202E加速度计构成，大气数据传感器由一个MPXV5004G4kPa动态压力传感

器和一个MPX4115A大气压力传感器，GPS模块采用MotorolaM12GPS来提供基本的地速和

位置信息。此外，其机载设备采用MHX910/2400测控模块，构成一个精密复杂的无线数据链

路。PiccoloPlus目前广泛用于各公司、大学和科研单位制造的小型无人飞行器中⑻。

(2)MicroPilotMP2O28g

MP2028g无人机飞控系统，重量仅为28g(包含GPS模块)，尺寸为4cmX10cmX1.5cm,

其结构如图1.2所示。MP2028g飞控系统集成了三轴加速度计、三轴低漂移陀螺、空速传感器、

气压高度传感器、GPS导航模块、厘米级超声波高度计一、三轴电子罗盘，以及8通道舵机控制

板，具有A/D采样模块，视频混叠板，力,展肥机控制板等选件，可力,展性强，功能丰富，编程

能力强大，数据采集丰富，任务载荷控制能力强，调整简单快捷。MP2028g已成功应用于Snake

eye、Helispy、西班牙靶机以及NASA各部门的无人K行器上，是一款成熟的无人机匕控系统⑹。

2

择

可选

子接口

各

连接

电

源

功

率

分

配2MB

M

SRA

构图

统结

控系

lus飞

oloP

Picc

图1.1

选择

功能

舵

升降

028K

MP2

舵

副翼

收机

RC接

方向舵

舵

油门

计

高度

气压

计

加速

三轴

块

RF模