馬小博 杜文亮 王博

摘要：針對中小型無人機(jī)的應(yīng)用背景和設(shè)備特點(diǎn)，設(shè)計實現(xiàn)了一種雙余度的通用型飛控計算機(jī)，采用同構(gòu)型雙余度容錯體系架構(gòu)，延伸通用化、模塊化的設(shè)計思路，軟件方面配置了兩種嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境，在無人機(jī)方面具有較好的通用性。

關(guān)鍵詞：中小型無人機(jī) 飛控計算機(jī) 雙余度容錯

引言

本文結(jié)合中小無人機(jī)的應(yīng)用背景和設(shè)備特點(diǎn)，設(shè)計了基于雙余度系統(tǒng)的飛控計算機(jī)計算平臺，利用商用貨架電子模塊，綜合了更多的功能，可實現(xiàn)一臺計算機(jī)對無人機(jī)的控制與管理。

1 飛控計算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1飛控計算機(jī)系統(tǒng)功能

飛控計算機(jī)是飛控系統(tǒng)內(nèi)的核心處理機(jī)，其主要功能可劃分為：

a.系統(tǒng)控制功能：飛控計算機(jī)實現(xiàn)對整個飛控系統(tǒng)的監(jiān)測;支持飛控系統(tǒng)周期任務(wù)的調(diào)度;飛機(jī)飛行模式的選擇;飛控系統(tǒng)故障的處理、記錄、申報;飛控系統(tǒng)的測試與維護(hù)功能。

b.飛行控制與管理功能：穩(wěn)定飛機(jī)姿態(tài)角及飛行高度;控制飛機(jī)的飛行狀態(tài);控制飛機(jī)的回收;飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與處理。

c.飛控計算機(jī)除了應(yīng)滿足系統(tǒng)的控制與管理功能外還應(yīng)具有一定的高可靠性，應(yīng)采取容錯余度設(shè)計。

1.2飛控計算機(jī)整機(jī)架構(gòu)

飛控計算機(jī)采用同構(gòu)型雙余度通道容錯結(jié)構(gòu)，每個通道的配置按照模塊化設(shè)計且可配置，即通過增減模塊的方法可滿足系統(tǒng)組成的要求。主要模塊由主處理器（CPU）模塊、串行通訊接口（SIO）模塊、模擬離散接口（ADIO）模塊、二次供電（PS）模塊、數(shù)據(jù)存儲電子盤、GPS模塊以及連接各模塊組件的母板組成，圖1為飛控計算機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。

1.3飛控計算機(jī)的安全工作模式

飛控計算機(jī)在無故障的情況下A通道優(yōu)先級高于B通道，控制指令由A通道送出，B通道處于備份狀態(tài)，當(dāng)A通道出現(xiàn)故障被判定通道失效而B通道正常時，B通道替代A通道工作，此時系統(tǒng)轉(zhuǎn)入單機(jī)工作方式，系統(tǒng)不再進(jìn)行同步和CCDL傳輸，詳見表1。

2 通用模塊化硬件平臺實現(xiàn)

2.1處理器模塊

CPU模塊實現(xiàn)控制律計算，余度管理，任務(wù)設(shè)備管理以及檢測的功能。微處理器采用低功耗PowerPC8245，主頻266MHz，局部總線頻率為33MHz，128Mbytes 64位SDRAM，256Mbytes 64位USER FlashTM存儲器，12Mbytes 8位SYSTEM FlashTM存儲器，64kbytes 8位nvRAM存儲器，4個32位定時器，2路RS232串行調(diào)試接口，1路10M/100M以太網(wǎng)開發(fā)接口，總線頻率為33MHz的PCI總線接口，支持1個PCI設(shè)備。

2.2 ADIO模塊

ADIO模塊設(shè)計實現(xiàn)故障邏輯，同步電路，CCDL電路，具有16路的地/開離散量I/O接口，16路的模擬量I/O接口，12bit精度，±10V電壓范圍，轉(zhuǎn)換時間10us，4路頻率（最大1KHz）輸入接口，電壓范圍±5V。

模擬量輸入電路實現(xiàn)輸入信號的抗噪濾波、比例調(diào)節(jié)、同步解調(diào)、二階濾波、雙級選通、過壓限幅、A/D轉(zhuǎn)換電路和BIT激勵測試電路，信號轉(zhuǎn)換精度12位;離散量輸入輸出接口為采集、驅(qū)動輸出飛控系統(tǒng)所需的離散量信號提供接口資源。

2.3 SIO模塊

SIO模塊采用智能處理的方式，處理器選用TI公司的DSP芯片。串行輸入輸出控制芯片選用TI公司的TL16C554。SIO結(jié)構(gòu)上設(shè)計背接電子盤接口，設(shè)計有具備PATA接口和IDE轉(zhuǎn)LBE總線接口背接具有USB功能的電子盤模塊，可通過主CPU模塊訪問電子盤，并且將電子盤USB接口通過母板連接至機(jī)箱USB口，也可通過外部上位機(jī)通過USB訪問電子盤。

2.4 PS模塊

電源模塊給計算機(jī)內(nèi)部提供數(shù)字+5V、模擬±15V電源，其主要電路有升壓電路，主變換電路，5V輸出處理電路、±15V 輸出處理電路。電源設(shè)計符合GJB181A-2003《飛機(jī)供電特性》要求，輸入直流電壓額定值為28VDC，輸入直流電壓變化范圍為（18～32）VDC。輸入電源首先通過大電流濾波器，然后進(jìn)入計算機(jī)機(jī)箱內(nèi)以用于防止電磁干擾。

2.5 電子盤與GPS模塊

無人機(jī)的數(shù)據(jù)記錄、GPS等均為無人機(jī)的重要設(shè)備。該產(chǎn)品的電子盤電子盤選擇商用電子盤，采用SLC NAND FLASH存儲載體，容量4GB，主模塊通過IDE轉(zhuǎn)LBE供CPU模塊訪問，提供USB訪問接口。GPS模塊同為外購貨架產(chǎn)品，選用NovAtel的OEMV-2高精度GPS模塊，實現(xiàn)遙感和位置測量。

3 飛控計算機(jī)軟件配置

飛控計算機(jī)系統(tǒng)軟件是計算機(jī)的核心程序，由實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)測試模塊、余度管理支持模塊、設(shè)備驅(qū)動程序功能模塊和地面支持系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)控制管理全機(jī)資源，包括CPU、內(nèi)存、中斷源、接口和任務(wù)管理等，為增強(qiáng)飛控計算機(jī)的通用性，配置有兩種商用嵌入式實時操作系統(tǒng)分別是風(fēng)河公司的Vxworks和QNX軟件公司的QNX操作系統(tǒng)及其開發(fā)環(huán)境。支持在兩種操作系統(tǒng)下的資源管理、任務(wù)調(diào)度、機(jī)內(nèi)自測試、余度管理、文件系統(tǒng)等，可拓展應(yīng)用于航空、汽車、船舶、兵器等多種領(lǐng)域。

4 小結(jié)

本項目研制了滿足中小型無人機(jī)的飛控計算機(jī)，解決了中小無人機(jī)采用高可靠容錯計算機(jī)面臨的成本瓶頸，實現(xiàn)了中小無人機(jī)飛控系統(tǒng)可靠性的提高，突破了在安全關(guān)鍵系統(tǒng)中綜合非安全關(guān)鍵系統(tǒng)電子設(shè)備這一關(guān)鍵技術(shù)該型飛控計算機(jī)目前通過了電磁兼容，電源供電特性、溫度、振動等惡劣環(huán)境試驗，完成了系統(tǒng)地面試驗和試飛試驗，已在多型中型和小型無人機(jī)上應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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