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基于ARM的无人机飞行控制系统的研究实现
基于ARM的飞行控制计算机的设计，关键在于系统整体方案设计。接口设计是一个重要环节，其质量将直接影响系统的性能，信号输入输出时要考虑抗干扰性，所设计的整体方案要易于实现，对不同型号的无人机要有一定的适应性。
4、串口通信
机上传感器的输出信号多数都是采用串行标准。遥控指令、遥测数据、GPS数据、高度信号、航向信号、航路装定、控制参数设置都采用RS-232或者RS-485接口，而AT91M55800A片内集成的3个USART不能满足要求，必须要对串口进行扩展。完全采用软件模拟扩展串口，将加重处理器的负荷，降低系统的实时性。而采用16C554专用串口扩展芯片将增加系统的电路复杂性，增加电路板面积。在综合考虑各种方案之后，将串口作如下配置：
(1)串行口0为遥控通道，与遥控接收机相接，接收上行信道送来的遥控信息，下传飞机状态参数信息，RS—232标准，波特率9600。
(2)串行口1：通过4052扩展，与高度传感器和航向传感器相接。采用RS—485标准，波特率9600。
(3)串行口2与GPS接收机相接，接收GPS数据，采用RS—232标准，波特率9600。
(4)采用SPI总线接口的USART收发器件MAX3111扩展了一路串行接口，本串行口的TX通道作为遥测通道，用于发送飞行姿态、电源电压、发动机转速、任务设备工作状态等遥测信息；RX通道为双用途，可以作为装定自主飞行时的预设航路用，也可以用来装定控制参数。这样，兼顾了系统的实时性和紧凑性
5、频率信号的输出
控制伺服机构常用的是四个舵机，飞行中要求这四个舵机可以同时动作，相互之间不能有延迟。而AT91M55800A的6路定时/计数器正好可以用来作为输出PWM信号的器件，不需要扩展接口芯片。余下的一路定时器用作μC/OS-II的系统时钟，另外一路定时器用作发动机转速监测。根据舵机的工作方式和控制精度的要求，设置工作方式，满足舵机工作要求。这样既减少了硬件的扩展又降低了软件的消耗，提高了精度、大大提高系统效率。
6、数字I/O口输出
通过AT91M55800AGI/O由片上PIOA和PIOB控制器输出开关量，通过光耦隔离、驱动放大进行控制任务设备、回收装置等设备。
7、复位电路
AT91M55800A在复位时，主时钟来自慢速时钟(32768Hz)，并且主时钟上的信号必须在NRST信号上升沿之前至少10个时钟周期内保持有效，及复位信号至少保持0.3ms，所扩展的存储系统复位时间均小于0.3ms，因此本系统采用了能提供20ms低脉冲的MAX6315芯片。同时AT91M55800A具有可编程的看门狗定时器。由于系统电源瞬间欠缺或意外掉电致使程序跑飞或重要数据丢失导致系统无法工作时，采用看门狗定时器可产生内部复位信号，使复位系统。
四、系统设计中的关键技术
1、硬件资源的合理利用和端口配置的原则
AT91M55800A有着丰富的硬件资源，能否充分利用和恰当配置这些资源是设计成败的关键。如果给CPU的负担过重，系统有可能难以完成实时控制的任务，如果配置不合理，资源则不能得到充分利用，而且会影响系统的实时性，增添软件的复杂性。CPU主要处理4路模拟量输入、10路开关量输入、1路频率量输入、3路定时信号输入、4路PWM波输出、8路开关量输出和4路串行数据接口，根据微控制器的结构特点分别配置，如将模拟量输入配置在A/D部分，开关量输入和输出配置在GPI/O，3路定时信号输入、1路频率量输入和PWM波配置在定时/计数器多通道部分，4路串行数据接口通过适当扩展配置在3个USART上。在设计中对端口分配遵循了以下原则，并做了一定的时间测算；
(1)首先确定MCU内核的实现方案，为输入输出信号量连接方案的确定开创条件；
(2)优先考虑各端口的基本功能，再次考虑端口的第二、第三功能；
(3)考虑信号匹配与端口的驱动能力；
(4)考虑时间因素，对ADC、UARST、GPI/O、PWM、SPI等处理子程序进行时间估计与测算，确定CPU的任务量，保CPU有一定的时间裕度；
(5)利用空余的端口做冗余设计，使某些功能的实现有一定的自由度。
2、系统的抗干扰措施
在无人机系统性能诸指标中，可靠性是首要考虑的因素。无人机飞行控制器必须稳定可靠地运行，否则将导致控制出现偏差，严重时将可能造成巨大经济损失或者生命危险。因此在控制器硬件的设计中，要始终贯彻高可靠性、高稳定性这一原则，并为软件抗干扰措施的实施打好基础。
影响控制器可靠安全运行的主要因素有以下几个方面：电磁场干扰、供电方式、元器件性能、PCB的布局与走线、机械结构设计等。
针对这些因素，在本系统的硬件设计中采用了如下一些措施：
（1）主控板采用四层的高频电路板；
（2）采用滤波技术、去耦电容、屏蔽技术、隔离技术和接地技术减小电磁场的干扰；
（3）数字部分和模拟部分独立供电
（4）尽量选用高集成度、高稳定性、高可靠性的面贴元件；
（5）PCB板上元器件按功能分区、就近布局，45°走线、满接地；
（6）选择高可靠性接插件，紧固安装，屏蔽壳体。
3、整机供电与功耗考虑
无人机的动力源是能量有限的机载蓄电池，所以能耗问题是衡量控制其性能的一项指标。机载蓄电池提供的是±12V的直流电源，对于飞控器来说，需要解决两个问题。一是如何进行DC/DC转换既能满足系统对电源数量及伏值的要求，又使转换效率足够高；二是选用什么样的元器件，既能满足信号匹配的要求又能使器件功耗低。
系统中选用的是高转换效率的小型PKC2121模块，可以产生稳定的±12V电压，为±9V的电源基准提供输入，5V和9V根据具体需要给模拟电路供电，5V作为3.3V电源基准REF192GS的输入电压，3.3V给飞控计算机供和存储系统供电。在信号匹配的前提下尽量选用低功耗的CMOS器件，降低系统总能耗。
五、结束语
经过初步调试，该硬件平台各项功能均达到设计目的。为了方便和硬件的联调，软件设计以源码公开的实时嵌入式操作系统μC/OS-II为软件平台，将系统功能按照优先级循序分为数据采集模块、控制解算模块、模态控制模块、高度航向读取模块、指令接收模块、GPS接收模块、航路控制模块、遥测发送模块、芯片启动部分选用汇编语言，对算法复杂、计算量大的，采用C语言。软件和硬件分别调试通过后，可进行软件和硬件的联调，最后形成基于ARM的新型飞行控制计算机。
该硬件系统体积小，成本低。设计中采用了模块化的结构形式，将主控模块和信号调理模块及信号输出模块分开，那么将主控模块与不同的信号调理模块和输出信号的相结合可以实现设计系统的通用性作为某型号的一系列无人机的飞控器。随着技术的不断发展，ARM将以它特有的优越性在军事和高科技中得到广泛的应用。
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