无人机中嵌入式系统方案设计

无人机嵌入式系统设计
—嵌入式系统原理与设计报告
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一、无人机功能需求分析
1）无人机是一种由动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器的简称，可以简单地分为军用和民用两大类，在这两个领域可以说非常火热。

2）在军事领域，无人机的最大优势体现在能够）执行3D 任务（即，Dull（枯燥乏味）、Dirty（恶劣环境）、Dangerous（危险）），这些任务可以细分为空中侦察、目标搜索及定位、炮兵校射、激光照射、战场观察和毁伤评估、通讯中继、大范围搜救、电子战、对地攻击、导弹拦截、战场物资补给及运送、空中格斗等。

3）在民用领域，无人机价格相对低廉，应用领域包括航拍、植保、地质勘探、高压输电线路巡检、油气管路巡查、高速公路事故管理、森林防火巡查、污染环境勘察、反恐维稳、公安执法、应急救援与救护、抢险救灾、海岸线巡查等。

二、无人机组成原理
无人机可主要有固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机三大平台，其它小种类无人机平台还包括伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞船，这里主要分析下微小型四旋翼无人机。

1）由于微型无人机飞行姿态多变，为了增大无人直升机的带载能力，该无人机采用了四旋翼的机械结构，通过机载导航系统控制使其各旋翼之间协调运动，实现四旋翼无人机的飞行姿态自动调整，可按要求完成垂直起落控制、空中悬停控制、偏航控制、滚转控制、俯仰控制等多种动作及任务。

四旋翼无人机在各种结构特征参数确定的情况下，通过改变旋翼转速来改变拉力。

四旋翼飞行器结构简图及受力分析
2）四翼无人机系统需要微型螺旋仪、加速速传感器、大气压传感器、电机转子转速测量单元和GPS接收单元。

机载控制部分主要由控制系统核心模块、惯性测量单元模块IMU（Inertial Measurement Unit）、压力传感器模块、无线部分（无线控制信号接收模块、无线数据传输模块、全球定位系统模块、无线视频传输模块）、电机控制部分（电机驱动控制模块、电机转子转速测量模块）以及红外距离传感器模块等组成。

三、无人机嵌入式计算机系统总体方案
飞控系统由飞控计算机及其外围传感电路、执行机构组成，因此飞控计算机的主要功能包括：提供稳定的电源供电系统、对各类模拟信号进行采样预处理、处理各种开关量以控制相应外围设备、进行控制律计算以控制和稳定无人机、操纵发动机的工作状态以决定飞行模态、实现飞行航路的预设置等。

系统总体设计框图
四、无人机嵌入式计算机系统硬件方案设计
系统采用Atmel公司的工业级ARM9处理芯片AT91RM9200为核心，工作频率可高达200 MIPS，其外围电源电路、复位电路、晶振电路保证系统正常工作，外扩32 MB 的SDRAM作为内存，32 MB的闪存用作程序和数据存储空间，A／D电路完成对模拟信号的采样，D／A电路完成对数字量的转换，8路串口通信电路工作方式在RS232、RS422、RS485之间可设置，32路离散I／0口可设置输入输出，另外留有调试用的DBUG口。

4.1 核心控制电路
核心控制电路确保ARM最小系统板及与各外扩功能芯片正常运行。

设计最小系统板(核心板)的关键是AT91RM9200与SDRAM、闪存芯片的接口。

实验表明，核心板运行稳定可靠，满足计算处理数据时的速度和精度要求。

ATOIRM9200的存储器扩展原理
4.2 A／D采样电路
A／D采样电路用来对各种模拟信号进行采样预处理，由AD7490提供16路分辨率为12位的A／D通道。

AT9lRM9200通过SPI口与AD7490进行通信，AT91RM9200向AD7490写入控制字，使其按设定的要求工作，通过Dout引脚将A／D采样结果传送到ARM的CPU。

为了确保采样精度，AD7490需外加2．5 V参考电压y枷。

根据设计要求，A／D采样电路的输入信号电平范围为一10 V～+10 V，而AD7490允许的输入信号电平范嗣为0 V～V。

f|N或0V～2y加一，因此需要在输入信号与AD7490的输入引脚之间增加调理电路。

A／D转换电路原理图
4.3 D／A转换电路
D／A转换电路用来处理各种开关量，由AD5668提供8路分辨率为16位的D／A 通道。

AT91RM9200通过SPI口与AD5668进行通信，AD5668的时钟频率可达50 MHz。

D／A转换电路原理图
4.4 UART串口通信
根据设计指标，系统共需要8路串口通信，AT91RM9200自带4路串口通信，由STl6C654对4路外扩串口通信进行控制。

串口通信电路工作方式在RS232、RS422、RS484之间可设置。

通信速率和中断号由系统软件设置。

扩串口通信电路原理图
4.5 DBUG串行调试口
由ADM3202实现DBUG串行调试口电路的控制。

系统经由DBUG串行调试口下载程序，进行启动和调试。

五、无人机嵌入式计算机系统软件方案设计
本无人机系统能以自动／手动两种方式通过数字信号、继电器和舵机完成对任务的控制。

任务控制包括电子设备电源控制、接收串行数字信号设备、接收高低电平信号设备、微型无制导火箭电子点火控制、目标识别、开伞、定点空投等任务，并可根据任务的实际需要设计各种独立的任务控制模块。

本系统采用数字信号及继电器控制任务的执行，在自动控制时由导航控制系统在到达任务点时发出所需信号或由开关继电器进行控制；在手动控制时由自动／手动控制切换单片机检测遥控接收机任务通道的波形，根据地面指令发出所需信号或由开关继电器进行控制。

数据量大、功能多、实时性高是自主飞行控制系统的主要特点。

控制系统除在电路设计中采取了相关措施之外，根据任务要求，软件设计中还采用了定时监控技术和容错技术检测系统运行状态，并采用了余度技术和自恢复技术保证在软件意外故障情况下重新恢复空中机器人故障前的运行状态。

飞控软件系统主模块流程如图所示，主要完成RAM，D／A，串口，I／O和单片机外围接口的初始化；A／D测试与采集；状态信息、通信控制；航向实时计算；导航数据实时处理；参数设置；紧急情况处理以及任务执行等功能。

飞控软件系统主模块
六、实验室调试及测试方案
嵌入式项目的调试一般基于硬件和软件两个方面，一般先从硬件开始。

基于硬件方面，在实验室里，我们可以借助万用表，检测硬件电路工作时某个节点处电压是否属于正常值范围；利用示波器查看系统与外部世界的交互过程，监视目标内部电路上的信号，查看总线上的时序关系等。

基于软件方面，常用工具有在线仿真器，片上调试器，ROM监视器，JTAG等。

在线仿真器允许用户查看处理器内部数据或代码并控制CPU运行；用片上调试器占用几根专用的CPU引脚，通过片上调试逻辑实现运行控制，可以对目标机CPU进行设置断点、单步执行以及资源读写等绝大多数基本调试活动；用ROM监视器（驻留ROM的小程序），辅助测试与调试嵌入式程序，具有简单是软件断点功能，包括在程序中设置断点并运行用户程序直到断点处，也能单步运行应用程序。

利用这些硬件和软件方面的工具对无人机项目惊醒全方面的测试和调试，找出项目中的错误、漏洞和不足之处，解决并且完善。

七、完成嵌入式系统设计报告后的感受
总体来说，这次系统设计难度对我而言是非常大的，尽管这学期学了嵌入式系统原理与设计这门课，而且上学期也修了微机原理（MIPS为基础）和实验课程，对计算机组成和嵌入式有了足够的了解，但是突然接受老师的任务去设计一个无人机的嵌入式系统，整个人还是有点懵，初步涉入还是感觉到所学内容的匮乏，不足以完成任务。

于是只能去网上搜索相关资料来看。

查看了一些博客，对目前无人机的形势，无人机嵌入式系统的研究学到了很多，却是越发感觉到项目的困难。

后来上万方数据，找了几篇期刊来学习，总算有了点眉目，但是还是无法下手，最后定下心来只攻读一篇，总算知道了如何实现，于是，借助自己对那些期刊的理解，加上平时课上所学，进行设计。

最后设计完成时，感觉这次任务收获还是蛮大的，对具体的嵌入式项目有了自己的理解和体会，对以后接手自己的嵌入式项目帮助非常大，感谢老师能给我这次机会。