周飛

（上海蔚蘭動力科技有限公司，上海，201103）

飛控系統(tǒng)（Flight Control System）是無人機的大腦，多軸無人機的飛行計劃，姿態(tài)變化控制等都是由飛機上的傳感器系統(tǒng)傳回飛控系統(tǒng)，經(jīng)過飛控的運算和判斷，下達相關(guān)指令，由執(zhí)行機構(gòu)完成動作和飛行姿態(tài)調(diào)整。典型的飛控系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 典型的飛控系統(tǒng)架構(gòu)

隨著高集成度，高性能傳感器及處理器的快速發(fā)展，當(dāng)前行業(yè)無人機市場如巡檢，測繪，農(nóng)業(yè)機械等對無人機的需求擴張迅猛，對高可靠性，高穩(wěn)定的無人機解決方案需求迫切，當(dāng)前的主流飛控系統(tǒng)架構(gòu)主要是以固定配置非冗余設(shè)計的系統(tǒng)，架構(gòu)簡單，處理能力較弱，對復(fù)雜飛行任務(wù)處理響應(yīng)過慢，為提升飛控系統(tǒng)的可靠性及安全性，增強飛控系統(tǒng)的復(fù)雜任務(wù)處理能力，本文提供了一種基于Cortex M7 處理器的無人機飛控系統(tǒng)架構(gòu)，從系統(tǒng)冗余設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計及關(guān)鍵器件選型三方面詳細(xì)闡述飛控的硬件架構(gòu)設(shè)計。

1 飛控系統(tǒng)架構(gòu)需求分析

無人機飛控系統(tǒng)主要由電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航及數(shù)傳系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)四大部分組成，結(jié)合可靠性、安全性、高性能、經(jīng)濟性的系統(tǒng)要求，下面將飛控架構(gòu)需求分解細(xì)化如下：

（1）電源系統(tǒng)：要求電源部分支持電池，本地直充，備用電池輸入三種電源供電方式，三種電源之間按設(shè)定優(yōu)先級進行供電選擇，電源轉(zhuǎn)換模塊支持5～36V直流寬壓輸入；

（2）控制系統(tǒng)：是整個系統(tǒng)的運算控制中心，負(fù)責(zé)對外置的傳感器信號收集，并根據(jù)飛控算法輸出相應(yīng)控制信號；同時包含通信總線組成的通信網(wǎng)絡(luò)，即與傳感器單元，遙控單元，攝影單元及本地調(diào)試設(shè)備間的通信，同時也包含冗余設(shè)計需要的雙控制板間通信；

（3）導(dǎo)航及數(shù)傳系統(tǒng)：是包含GPS，數(shù)傳，磁羅盤在內(nèi)的獨立安裝的功能單元；

（4）驅(qū)動系統(tǒng)：主要是相應(yīng)的IO 接口輸出驅(qū)動電機信號。

其中四部分功能單元根據(jù)實際可靠性設(shè)計需求，應(yīng)都滿足冗余設(shè)計，即需要提供相應(yīng)的通信接口，接入冗余備用功能單元，通過相應(yīng)的軟件控制邏輯實現(xiàn)主備功能單元間的切換。

2 系統(tǒng)架構(gòu)詳細(xì)設(shè)計

基于上述系統(tǒng)設(shè)計需求，綜合可靠性方面的考慮，本文分三部分進行相應(yīng)的詳細(xì)設(shè)計：系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，硬件設(shè)計，軟件設(shè)計。

無人機飛控系統(tǒng)有區(qū)別于其他控制系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計難點：

（1）傳感器單元，特別是慣性測量傳感器單元對振動特別敏感，無人機電機振動對慣性測量單元影響較大；

（2）體積受限，無人機的續(xù)航能力受機身重量及體積影響較大，且重心設(shè)計也有一定影響；

（3）可靠性冗余設(shè)計，飛控系統(tǒng)的四大功能單元均有冗余設(shè)計的需求。

基于以上架構(gòu)設(shè)計難點，結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計需求，本方案提供了一種創(chuàng)新的架構(gòu)設(shè)計，從模塊單元的功能，體積兩方面出發(fā)，將飛控系統(tǒng)根據(jù)模塊化設(shè)計原則分為五塊電路板：電源與驅(qū)動系統(tǒng)板、主控板、傳感器板、導(dǎo)航及數(shù)傳單元、通信切換板。

飛控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，極大提升了系統(tǒng)的配置靈活性，在模塊化設(shè)計過程中，需要根據(jù)模塊間通信的數(shù)據(jù)量和速率進行接口匹配，盡量減少板間連接器的引腳數(shù)量，系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 飛控系統(tǒng)硬件框圖及關(guān)鍵器件選型

圖3 飛控系統(tǒng)電源子系統(tǒng)選型及邏輯圖

3 硬件設(shè)計

■3.1 電源與驅(qū)動板

電源與驅(qū)動板功能主要是負(fù)責(zé)電源輸入電壓轉(zhuǎn)換，輸出電機驅(qū)動信號及遙控設(shè)備等外部通信接口。根據(jù)實際需求，選擇ADI 的LTC4417 方 案，該方案支持輸入電壓范圍2.5V ～36V，從三路外部輸入電壓中選擇優(yōu)先級較高的電源，有對電池反接提供-42V保護，方案本身有過壓欠壓保護，P 溝道MOSFET 柵極保護鉗位，24 腳窄體SSOP 封裝，體積較小，經(jīng)此電源轉(zhuǎn)換芯片后電壓穩(wěn)定為5V 電壓，驅(qū)動整個飛控系統(tǒng)電路。

電源系統(tǒng)中的電池部分，通過SHUNT 電阻實時監(jiān)測電池的電流，通過電阻分壓監(jiān)測電池的供電情況，此部分電壓與電流監(jiān)測信號通過連接器傳遞到控制板的主MCU，通過主MCU 的ADC 通道進行實時的監(jiān)測。

可靠性冗余設(shè)計方面，采用PMEG2010 二極管作為冗余隔離，支持備用電源系統(tǒng)接入，防止主電源系統(tǒng)LTC4417失效，二級降壓電路采用MIC5332 雙路LDO 方案，將主控芯片，IO 芯片，及傳感器芯片分開供電，減少供電電源間的干擾。

對于驅(qū)動功能，無人機電機驅(qū)動PWM 信號由從MCU輸出，從MCU提供8路PWM信號，為提升PWM的驅(qū)動能力，增加buffer 芯片TXS0108ERGYR，PWM 信號輸出經(jīng)此處理還可以防浪涌反灌損壞MCU 芯片，也對PWM 上的噪聲信號有一定的抑制作用。此部分驅(qū)動信號經(jīng)控制系統(tǒng)板輸出到電源板上連接器，通過線束與電機連接。在可靠性冗余設(shè)計方面，兩套獨立的控制系統(tǒng)輸出的驅(qū)動信號通過電源驅(qū)動板上的模擬開關(guān)進行切換輸出。

在PCB 設(shè)計上，因電源系統(tǒng)與驅(qū)動輸出的接口合并在同一塊PCB 上，連接器較多，為節(jié)省PCB 面積，提高電源板抗電磁干擾能力，PCB 采用四層板進行設(shè)計，疊層關(guān)系為信號（TOP）－參考地－電源－信號（BOT），其中信號（TOP）層因離完整的參考地最近，諸如驅(qū)動信號等關(guān)鍵信號優(yōu)先布局在此層。

■3.2 主控板

單獨的主控板設(shè)計采用的是核心板的概念，將主控單元獨立設(shè)計成核心板，可以極大減少項目重復(fù)開發(fā)時間，方便移植到類似項目上，同時核心板設(shè)計屬于模塊化設(shè)計，為系統(tǒng)處理能力升級提供了基礎(chǔ)。

主控芯片方案的選型在考慮通信接口類型及數(shù)量，控制IO 數(shù)量，信號處理計算需求三個因素，采用雙MCU 方案，主MCU 采用Cortex M7 架構(gòu)的STM32F427 芯片，主要用作通信功能，飛控算法處理，數(shù)據(jù)存儲功能，從MCU 采用STM32F100C8，重點作為驅(qū)動IO 處理，驅(qū)動電機工作。采用雙MCU 方案，可以降低主MCU 的引腳數(shù)量，降低對MCU 處理能力的需求，從而降低成本，同時將功能相對獨立的電機驅(qū)動信號分離到獨立的從MCU 上，通過功能專用的策略，提升飛控系統(tǒng)的實時性。

控制系統(tǒng)同時包含狀態(tài)指示電路，通過LED 燈將飛控板的狀態(tài)顯示出來，狀態(tài)顯示分為兩部分，一部分為本地顯示，即包含飛控板啟動狀態(tài)，調(diào)試告警信息等，這部分信息只能在無人機在地面調(diào)試，校準(zhǔn)時才可以看到，另外一部分為高亮LED 燈指示，顯示飛行狀態(tài)即機頭方向，此部分可以在低空飛行時顯示，三色LED 驅(qū)動方案選擇TCA62724FMG。

飛控系統(tǒng)的通信分為板內(nèi)通信和板外通信，板內(nèi)主要是板載傳感器，狀態(tài)指示系統(tǒng)，存儲系統(tǒng)通信；板外通信主要是外接部分傳感器模塊，包含GPS 導(dǎo)航，數(shù)傳電臺，攝像頭，磁羅盤等。無人機的板內(nèi)通信特點為通信數(shù)據(jù)量較少，速率要求不高，通用UART 串口通信完全可以滿足，但是要求的通信接口數(shù)量包含冗余通信接口數(shù)量達到7 路，包含GPSx2，數(shù)傳x2，攝像頭x1，4G 網(wǎng)絡(luò)x1，從MCUx1，SPI 串行高速總線數(shù)量為3 路，包含傳感器接口，本地存儲芯片接口和預(yù)留外置接口。

可靠性冗余設(shè)計方面，控制系統(tǒng)的冗余采用可靠性較高的CAN 總線進行通信，交互飛控執(zhí)行數(shù)據(jù)，同時通過IO 接口進行主備信號檢測。在控制系統(tǒng)輸出方面，采用SPDT 模擬開關(guān)TS5A3159-Q1 進行信號切換，模擬開關(guān)的控制信號由主控系統(tǒng)控制，一旦切換至備用系統(tǒng)，則控制信號自動切換至默認(rèn)上拉控制模式。

■3.3 傳感器板

此功能單元對安裝環(huán)境要求較高，工作環(huán)境中電信號噪聲，振動噪聲，溫度等變化會極大地影響傳感器功能單元的精度和穩(wěn)定性，所以此電路板需要進行減震功能設(shè)計，獨立的電路板可以減少結(jié)構(gòu)減震設(shè)計的難度，減少系統(tǒng)體積。

板載傳感器系統(tǒng)主要是慣性測量系統(tǒng)，氣壓監(jiān)測系統(tǒng)，其中慣性測量系統(tǒng)是由9 軸姿態(tài)傳感器組成，包含3 軸加速度計，選型為ADI 的ADXL346ACCZ，3 軸磁力計，選型為IIS2MDC 和3 軸陀螺儀，選型為2 顆ADXRS290BCE，此9 軸組合性價比高，穩(wěn)定性好，結(jié)合結(jié)構(gòu)上的減震，性能完全可以滿足無人機需求。板載兩路氣壓傳感器，選型MS5611，傳感器板通過SPI 與控制系統(tǒng)通信。

PCB 設(shè)計方面，傳感器芯片基本只包含電源，中斷及SPI 通信走線，PCB 采用四層板，PCB 變形對傳感器精度影響較大，所以板厚1.6mm，因慣導(dǎo)傳感器均屬于MEMS微機電系統(tǒng)，所以在實際結(jié)構(gòu)進行減震設(shè)計時，應(yīng)避免減震材料與傳感器芯片接觸，保證芯片周圍空間足夠大，同時為精確監(jiān)測無人機姿態(tài)，傳感器位置盡量居中防止，傳感器的X，Y，Z 軸方向盡量統(tǒng)一，以方面軟件開發(fā)。

■3.4 通信功能切換板

當(dāng)系統(tǒng)需要主控板冗余設(shè)計時，同一套傳感器信號需要同時輸出給兩個主控板，此時需要保證信號傳輸?shù)膶崟r性，通信功能切換板可以通過高速串口信號實時將傳感器信號傳輸給兩個主控系統(tǒng)，此功能板在非冗余飛控系統(tǒng)中不需要安裝。

從經(jīng)濟性的角度，切換板選擇NXP 的MKL17Z32VFM4為通信芯片，該芯片支持3 路SPI 通信接口，其中2 路設(shè)置為Master 模式，分別支持訪問獨立的2 套慣導(dǎo)系統(tǒng)，1路設(shè)置為Slave 模式，供控制系統(tǒng)訪問。板載傳感器增加選型MPU9250 作為第二套方案，兩套方案既可以做主備使用，也可以通過卡爾曼融合算法進行融合，提升系統(tǒng)姿態(tài)監(jiān)測精度和穩(wěn)定性。

■3.5 導(dǎo)航與數(shù)傳板

此功能板主要是支持外接的GPS 模塊，數(shù)傳模塊等，包含GPS/RTK GPS 模組（UBLOX M8N），磁羅盤模組(HMC5883)，與慣性測量系統(tǒng)算法融合，提供精確的位置和導(dǎo)航信息，另外還有數(shù)傳電臺模組，4G 通信模組，攝像頭模組等功能單元，完成與地面站的通信。此類功能模塊對空間安裝要求高，需要空曠的空間以進行射頻通信。

創(chuàng)新的將飛控系統(tǒng)按功能單元及安裝要求進行模塊化設(shè)計，板間通過柔性線纜和插針連接器連接，可以極大縮小飛控系統(tǒng)電路板的水平面積，局部減震設(shè)計極大提升了傳感器單元的性能。

■3.6 小結(jié)

基于各硬件功能子單元選型及連接設(shè)計，圖4 對飛控子系統(tǒng)的板級連接進行說明，飛控系統(tǒng)最小核心設(shè)計為三塊電路板，即圖4 所示的電源板，主控板及傳感器板，基于系統(tǒng)可靠性的冗余設(shè)計，可以額外配置電源板與主控板，增加通信功能切換板，保證通信的實時性。

圖4 飛控系統(tǒng)硬件電路連接圖

4 飛控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

飛行控制需要清晰的優(yōu)先級設(shè)計和可靠的定時系統(tǒng)，通過使用多線程操作系統(tǒng)和高效的驅(qū)動程序與中斷優(yōu)先級的正確調(diào)度來保證控制循環(huán)的精確執(zhí)行。飛控軟件包含導(dǎo)航功能單元，航路規(guī)劃與制導(dǎo)功能單元，飛行管理功能單元，飛行控制功能單元及相關(guān)日志記錄數(shù)據(jù)存儲單元，目前大部分飛控系統(tǒng)基本上都是基于開源飛控資源進行的二次開發(fā)，主流的開源無人機飛控包括APM，PIXHAWK，KK，F(xiàn)4，CC3D，MWC 等，基本邏輯為飛行計劃設(shè)定，位置信息設(shè)定，姿態(tài)信息設(shè)定，電機驅(qū)動信號輸出四部分，其中位置與姿態(tài)信息數(shù)據(jù)來自傳感器系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過各種融合算法進行位置與姿態(tài)信息的輸出。飛控系統(tǒng)中控制各種飛行模式的功能單元為狀態(tài)機，用來根據(jù)具體的飛控指令進行相應(yīng)的模式切換。通用的飛控軟件架構(gòu)邏輯框圖如圖5 所示。

圖5 飛控系統(tǒng)軟件架構(gòu)

以目前應(yīng)用廣泛的PIXHAWK 開源飛控軟件為例，其核心操作系統(tǒng)為NuttX 實時ARM 系統(tǒng)，附帶了一系列工具集、系統(tǒng)驅(qū)動、主控與外圍軟件接口，這些功能單元最終隨操作系統(tǒng)一起，統(tǒng)一編譯成固件形式上傳至飛控主控板中，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。PIXHAWK 開源飛控軟件架構(gòu)可以分為三部分：

（1）NuttX 實時操作系統(tǒng)

NuttX 是實時嵌入式系統(tǒng)（Embedded RTOS），采用模塊化設(shè)計，配置靈活，體積較小，PIXHAWK 開源飛控軟件采用NuttX 系統(tǒng)，提供POSIX-style 的用戶操作環(huán)境，例如printf(), open(),write(),poll(),ioctl()等操作，進行底層的任務(wù)調(diào)度。這也是PIXHAWK 飛控軟件開源后做的最大改動，采用NuttX 這個完全可擴展，實時，開放的系統(tǒng)符合POSIX 標(biāo)準(zhǔn)，達到簡化開發(fā)的目的。

（2）PIXHAWK 中間件

在NuttX 操作系統(tǒng)上面，運行著PIXHAWK 中間件，包含存儲、傳感器驅(qū)動、與內(nèi)外部模塊間的通信，中間件提供了微對象請求代理uORB(Micro object request broker)，其功能是為系統(tǒng)中運行的各單任務(wù)間提供異步通信。中間層還包括仿真功能，可使飛控軟件在桌面操作系統(tǒng)環(huán)境下，控制仿真環(huán)境中的無人機模型，實現(xiàn)對飛控程序正確性的驗證。

（3）PIXHAWK 飛行控制棧

飛行控制棧是無人機導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制的集成，運行于PIXHAWK 中間件之上，包含的功能單元總結(jié)如下：

導(dǎo)航?jīng)Q策部分：根據(jù)無人機當(dāng)前自身的安全狀態(tài)和接收到的指令，決定進入具體的工作模式，并計算出下一步行動。

位置姿態(tài)估計：根據(jù)飛控系統(tǒng)中的加速度計、陀螺儀、磁力計等傳感器得到自身的位置，此部分的核心算法較多，也是各飛控軟件性能區(qū)別的重要部分之一。

位置姿態(tài)控制部分：根據(jù)系統(tǒng)指令期望的位置和姿態(tài)設(shè)計的控制結(jié)構(gòu)，盡可能又快又穩(wěn)地達到期望的位置和姿態(tài)。

控制器輸出：依據(jù)姿態(tài)控制的指令經(jīng)過混控器進行電機控制指令的輸出。

5 總結(jié)

本文提供了一種多旋翼無人機飛控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方案，基于模塊化設(shè)計思路，從電路板結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計，硬件電路冗余可靠性設(shè)計及高性能處理器、傳感器方案選型，軟件邏輯設(shè)計三方面進行了系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計闡述，提出了一種靈活配置的冗余設(shè)計的方案，解決了飛控系統(tǒng)對可靠性，安全性方面的需求，同時考慮了飛控系統(tǒng)成本，體積及性能平衡，整體架構(gòu)設(shè)計擁有一定的技術(shù)先進性。