小型无人机飞行控制器的硬件设计

闫涛，黄思团，王泽，刘真，沈万超

32135部队 山西省大同市 037000

摘要：进行小型无人机飞行控制器的硬件设计，需了解控制器的基本功能、结构等，实现对控制器的基本了解，在此基础上，参考小型无人机飞行的具体需求，展开控制器硬件设计，保证满足无人机在各个阶段的飞行需求。

   关键词：小型无人机；飞行控制器；硬件设计

引言：各种类型小型无人机的面世，对其所装载的控制器有了不同的要求，基于此，需从无人机的功能定位出发，进行控制器硬件设计，保证硬件功能的可用性、先进性，协助操作人员实现对无人机的灵活掌控。

1.小型无人机飞行控制器简述

1.1功能分析

飞行控制器是无人机正常工作的基础与必要条件，其在无人机飞行中主要负责以下任务：接收地面指令，进行飞机航资转换；进行控制系统管理，比如伺服系统、传感器与其他软硬件系统等，并进行系统定期自测，保证小型无人机正常、安全、稳定飞行；解算控制率，输出控制信号；控制无人机中电子部件、任务荷载，与其他模块进行数据交通，扮演大脑的角色，控制无人机在各个阶段的飞行状态[1]。

1.2结构分析

为实现各项功能，需控制器采集、分析无人机相关参数，如高度、航向、滚转角、俯仰角等，进行控制算法解算，输送输出控制量至对应的执行模块，完成控制、导航。采集姿态数据时，多会用到模拟信号输出，故而无人机必须具备多路模拟数据、高精度数据采集能力，很多遥控遥测数据、传感器等展开数据交换时应用的RS485接口、RS422接口、RS-232接口等，控制器在输出控制指令后，控制舵机做出相关操作，执行机构得到的输入信号为模拟信号，微处理器处理的是数字信号，故而在舵机、微处理器间要求设置D/A转换模块，且因飞行过程中需存储各项数据，需装载大容量存储装置，并结合实际需求拓展微处理器存储资源。

2.小型无人机飞行控制器的硬件设计

控制器硬件设计涉及较多的组成单位，从以下三个方面展开举例分析：

2.1处理器

结合飞行控制器的基本架构、低能耗、高灵活度、处理速度需求选择对应的嵌入式处理器，比如可选择Yulong410SE处理器，由片内存储、外设接口单元、片内总线、图像处理单元、主处理器单元等组成，其中芯片主处理器选择的是四核SPARC-V8、四核ARM Cortex-A9；图像处理单元由JPEG2000编码器、解码器、H.265/264编组成；芯片内部封装集成32MB16bitNorFlash、lGB40bitDDR3存储器；包括以下芯片外设接口：1553B、SpaceWire、CAN、CameraLink、USBOTG、千兆以太网、Rapid 10等，满足不同类型控制器所需；处理器工作温度在-55℃-125℃之间，芯片消耗＜5w；Yulong410SE芯片支持支持Linux、VxWorks、FreeRTOS、 eCos多种类型的操作系统嵌入，对单粒子闩锁效应免疫，配备有SDK包，利于各类软件开发，这种处理器的优势在于低功耗、高可靠、高性能。在操作系统嵌入时，应考虑控制器的功能、任务需求，分析各项系统在控制协调、分配调度上的具体效能，综合而言，可选择Linux系统，其性能稳定、可定制、源代码公开、系统升级便利，可满足各阶段应用所需[2]。

2.2电路设计

电源模块主要作用是为控制器提供稳定、安全的供电电压，维持无人机正常工作，其设计合理性会影响到无人机的飞行效果，因无人机本身内部可装载空间较小，故而在电路设计时，应考虑尺寸要求、成本、可靠性等因素，比如可选择标准模块电源，尽量减少外接器件，24T05D12模块电源可当作首选，装载到供电电路中，以主芯片的身份提供30W功率、18V—36V输入电压，且具备以下三路电源输出：+12V、-12V、5V，为舵机、传感器供电，这种嵌入式芯片的灵活应用，一定程度上减小了控制器重量与体积，实现了控制器高集成度、小型化的设计目标；自行设计的舵机控制板、串口扩展电路压缩了成本，可以预见的是，586-Engine会因其高性价比、特有功能而实现更加广泛的应用[3]。

2.3D/A转换硬件电路

大部分无人机选择的是模拟舵机，装载有6路D/A通道，通过PWM信号传达指令控制舵机，针对其具体需求，选择586-Engine主板，共计8路D/A，4路12位并行D /A（DA7625），用于操控方向舵机、左副翼舵机、右副翼舵机、升降舵机，两路12位串行D/A（LTC1446），用于操控油门舵机、前轮舵机。其中DA7625、LTC1446输出电压范围分别是0~2.5V、0~4.096V，无人机舵机工作电压则是-10～10V，故而要求对信号加以放大处理、电平平移。D/A电平转换过程是：运放输入端引入加法电路，基准电平、输入信号比例相加，获取适宜电压范围；在进行A/D采集时，主板本身19路12位的A/D接口，可对接飞控系统通道，满足转换精度标准需求，通过A/D接口采集以下数据：油门开度、发动机温度与转速、机载电压、高度表数据等，传输地面控制中心，便于操作人员根据系列数据信息判断无人机在各个阶段的运行状态，对其可能出现的问题、故障等及时干预，保证无人机平稳飞行；在进行I/O控制时，主板中32个16位可编程数字I/O口，可24h不间断采集伞舱、发动机开启信号等信息，输出开关量控制信号，实现无人机回收、停飞等操作

[4]。

结语：综上，文章就小型无人机飞行控制器的硬件设计展开了综合论述与分析，建议给予其足够的重视，分析控制器硬件设计对整个无人机的重要性，结合具体的硬件模块展开设计工作，以此来提升硬件质量，保证小型无人机飞行效果。

参考文献：

[1]张凤芝.基于体感控制器的无人机飞行控制[J].信息系统工程,2019，(8):17.

[2]贺文涛,杨睿,秦睿.STM32控制器的姿态解算互补滤波器设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2020,(10):20-24.

[3]侯恭,董明飞,康立鹏,等.基于NI myRIO的四旋翼飞行器设计与实现[J].科技创新与应用, 2018，(23):2.

[4]孙蓉,刘洪丹,权申明,等.小型固定翼无人机自主起飞控制系统[J].实验室研究与探索, 2018,(10):36-37.