利用RTW和DSP实现某无人机飞控测试平台

基于DSP的无人机飞控系统的硬件设计探讨摘要：无人机飞控系统的硬件设计工作中，采用DSP能够利用较为丰富的指令系统、精确性的计算处理方式、丰富资源优势等，提升无人机飞控系统的硬件运行效果，具有重要作用。

在此情况下，无人机飞控系统的硬件设计过程中，就应该积极采用DSP设计方式，不断提升相关的硬件设计工作科学性与有效性，为其后续的运行夯实基础。

关键词：DSP；无人机飞控系统；硬件设计探讨无人机飞控系统的硬件设计工作中，采用DSP开展设计工作，可提升整体的设计水平，因此，在具体的设计工作中应该树立正确观念意识，遵循科学化的硬件设计工作原则，完善硬件设计的工作内容，保证整体的硬件系统功能与性能符合标准，提升硬件设计工作的可靠性与有效性。

一、无人机飞控系统分析对于无人机飞控系统而言，主要组成部分为：①地面区域的监控系统，用来开展指挥工作与飞行航行的操作管理工作。

②无线电测试遥控的相关系统，用来处理GPS数据信息，传递相关的遥控遥测信息内容，在无线数据链路中的地面监控和飞行控制器两者的中间部分。

③飞行控制器系统，主要用来开展传感检测工作、航行控制工作、摄像头云台的管控工作和数据回传工作等等。

对于飞行控制器而言，在实际运行的过程中，能够有效实现无人机状态量的检测工作任务，其中涉及到航向角控制信号管理、航行速度控制信号管理、发动机油门操作信号管理、各项指标信号管理等等，可以确保各方面信号控制和管理工作的科学性和有效性，获取相应的操作信号、GPS数据信息，将无人机运行状态的信息，全面输送到地面的监控系统之内，保证有效实现相关的监控管理工作。

二、DSP在无人机飞控系统硬件设计中的应用在无人机飞控系统硬件设计工作中，采用DSP应该结合实际情况，有效开展各方面的硬件设计工作，提升整体的硬件设计工作质量。

具体措施为：（一）完善硬件系统设计框架为确保采用DSP有效开展无人机飞控系统硬件设计工作，应该完善其中的设计框架，提升设计工作的合理性。

《机电系毕业设计：基于DSP控制的无人机飞行控制系统设计》摘要随着无人机市场的不断发展，越来越多的人开始对无人机技术有所关注。

本文基于DSP控制技术，设计了一套无人机飞行控制系统，旨在提高无人机的安全性、稳定性和控制精度。

本文首先介绍了无人机的概念和分类，对无人机的飞行控制系统进行了详细的分析和研究。

然后，分析了DSP控制技术在无人机控制系统中的应用，并给出了控制系统的结构图和系统功能描述。

最后，通过实验验证了系统的性能，结果表明，本设计的无人机飞行控制系统具有较好的稳定性和高精度控制能力。

关键词：无人机、DSP控制技术、飞行控制系统、稳定性、精度AbstractWith the continuous development of the drone market, more and more people have begun to pay attention to drone technology. Based on DSP control technology, this paper designs a set of drone flight control system, aiming to improve the safety, stability and control accuracy of drones. This paper first introduces the concept and classification of drones, and analyzes and studies in detail the flight control system of drones. Then, the application of DSP control technology in the drone control system is analyzed, and the structure diagram and system function description of the control system are given. Finally, the performance of the system is verified through experiments. The results show that the designed drone flight control system has good stability and high precision control ability.Keywords: drone, DSP control technology, flight control system, stability, accuracy1. 引言近年来，随着人工智能技术、自动化技术和先进的传感器技术的不断发展，无人机逐渐成为人们关注的热点话题。

基于DSP的某型无人机飞控系统硬件平台的设计
胡勇;丁万山
【期刊名称】《计测技术》
【年(卷),期】2004(024)005
【摘要】介绍了某型无人机飞行控制系统硬件平台的总体设计和具体实现方案.系统以TMS320LF2407A数字信号处理器为核心,外围扩展了高精度模数转换器、数模转换器、非易失性数据存储器(NV-SRAM)和异步串行通信接口,使系统具有了较丰富的硬件资源.整个系统体积小、重量轻、成本低,比较适用于小型无人机.
【总页数】4页(P35-38)
【作者】胡勇;丁万山
【作者单位】南京航空航天大学自动化学院,江苏,南京,210016;南京航空航天大学自动化学院,江苏,南京,210016
【正文语种】中文
【中图分类】V249.1
【相关文献】
1.基于C8051F020单片机的某无人机飞控系统硬件平台的设计与开发 [J], 潘慕绚;张天宏;黄金泉
2.基于DSP+FPGA的飞控系统硬件平台设计 [J], 单彦虎;谢璐;杨玉华;王大伟
3.基于SOPC技术的无人机飞控系统硬件平台设计 [J], 于晓洲;周凤岐;黄河
4.基于PC104和DSP的某型无人机导航/飞控系统设计 [J], 贲宗玉;袁冬莉;高建
尧
5.基于C8051单片机的无人机飞控系统硬件平台的设计与开发 [J], 肖虹
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使用RTW和VxWorks实现某飞控测试系统的开发
杨松波;王新民;刘少华
【期刊名称】《机械与电子》
【年(卷),期】2004(000)012
【摘要】给出了一种实现某飞控测试系统的新方法.使用Matlab的Simulink工具箱建立了飞机模型,利用代码生成工具箱将其转换为C代码,再利用嵌入式操作系统VxWorks的集成开发环境Tornado把该代码下载到嵌入式主机,从而和一些其它外围设备快速完成飞控测试系统的开发.通过对最终实时测试结果的采集分析,验证了该方法的快速可行性.
【总页数】3页(P28-30)
【作者】杨松波;王新民;刘少华
【作者单位】西北工业大学,陕西,西安,710072;西北工业大学,陕西,西安,710072;西北工业大学,陕西,西安,710072
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.基于RTW和嵌入式操作系统VxWorks的飞控系统半物理仿真实现 [J], 曹锦业;卢京潮;郭鹍;梁丽均
2.利用RTW和DSP实现某无人机飞控测试平台 [J], 王耿;贾伟
3.基于RTW和VxWorks的飞控系统仿真实验平台研究 [J], 陈怀民;吴凯;程鹏飞;段晓军
4.基于RTW和VxWorks的无人机仿真系统设计与实现 [J], 向孝龙;陈欣;李春涛
5.基于RTW ERT/VxWorks的实时仿真方法实现 [J], 王先泽;刘志勤;陈怀民;王道彬;管懿梅
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第36卷　增刊Ⅰ2008年　10月　华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版)J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natrual Science Edition )Vol.36Sup.Ⅰ　Oct.　2008收稿日期:2008207215.作者简介:何清华(19462),男,教授;杨　敏(通信作者),硕士研究生,E 2mail :yangmin850313@.基金项目:湖南省科技计划重点资助项目(2007FJ 1006).基于DSP 的小型无人机飞行控制系统设计何清华　杨　敏　贺继林　刘银春(中南大学现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室,湖南长沙410083)摘要:针对无人机性能指标和体积限制,设计了一种基于DSP56F807的新型飞行控制系统.阐述了系统的设计思想及软硬件结构和控制策略,给出了相应的飞行控制流程图与神经网络动态逆控制原理图.DSP 采用哈佛结构,使得指令处理和数据存取可以同时进行,大大提高了处理效率,测量精度及计算速度等也得到了相应的提高.通过在环回路仿真验证表明,所设计的系统具有计算速度快、可靠性好等优点,从而赋予无人机更大的机动性和更广泛的适用性.关　键　词:数字信号处理器;无人机;神经网络;飞行控制系统;控制策略中图分类号:TP249 文献标识码:A 文章编号:167124512(2008)S120254204Design of a small UAV flight control system based on DSPHe Qi ng hua Yang M i n He J ili n L i u Yi nchun(Key Laboratory of Modern Complex Equipment Design and Extreme Manufacturing ,Central South University ,Changsha 410083,China )Abstract :A new type of flight control system based on DSP56F807is designed ,based on t he perform 2ance of UAV (unmanned aerial vehicle )and t he limitation of volume.The design scheme ,hardware and software st ruct ure and control st rategy are expatiated.The corresponding flight cont rol flow chartand t he schematic diagram of neural network dynamic inverse cont rol are p ropo sed.DSP (digital sig 2nal processor )adopt s t he Harvard st ruct ure ,t hen inst ruction p rocessing and data accessing can be run at t he same time ,and t he efficiency is imp roved greatly.Measurement accuracy and comp ute speed are increased accordingly.The design is noted for it s calculation speed and high reliability by in 2t he 2loop simulation and it can give t he UAV greater mobility and more extensive applicability.K ey w ords :digital signal processor (DSP );unmanned aerial vehicle (UAV );neural networks ;flightcont rol system ;control st rategy 无人机(UAV )是一种无人驾驶、可重复使用的航空飞行器.飞行控制系统(以下简称飞控系统)是无人机的核心,其性能直接关系到无人机的应用范围及任务的完成.随着航空技术的发展,尤其是综合技术的发展,对无人机机动性能的要求越来越高,这就要求无人机的控制核心向高精度和小型化发展.高精度要求无人机的制导精度高、稳定性好,能够适应复杂的外界环境.小型化对控制系统的质量和体积提出了更高的要求,要求控制计算机的性能越高越好,体积越小越好[1～3].性能指标要求与体积限制迫切需要设计研制新型的飞控系统.基于PC 机和单片机是目前飞控系统设计中最常用的2种方式.基于PC 机的无人机飞控计算机寻址能力强,能够进行实时的高精度和高速度计算,但接口能力差,需要较多的外围接口器件配合,体积大,不易实现小型化[4].基于单片机的飞控计算机接口能力强,但运算速度相对较慢,片内集成度低,I/O 资源少,系统资源不足.其解决办法就是采用多单片机并行处理,但这样无疑会使系统复杂化,可靠性降低,系统之间的协调性也难以得到保证[5].针对以上系统所存在的问题,开发了基于DSP56F807的飞控系统.DSP 体积小、成本低、设计灵活,为以DSP 为核心的飞控系统的实现奠定了坚实的硬件基础.1　DSP56F807数字信号处理器DSP56F807是飞思卡尔结合数字信号处理器(DSP )和微控制器(MCU )功能的混合型处理器技术的结晶[6],具有如下主要特征:集成了56800Hawk V1内核,处理速度在内核工作频率80M Hz 时,可达40M I/s ;拥有2个六通道PWM 模块,1个符合CAN 2.0A/B 标准的MSCAN 模块,2个串行通信接口等丰富接口资源;片内有60Kbit ×16byte 的程序Flash ,2Kbit ×16byte 的程序RAM ,8Kbit ×16byte 数据Flash ,4Kbit ×16byte 数据RAM ,2Kbit ×16byte 启动Flash ;共4个通用积分定时器;J TA G/OnCETM 在线调试端口[6].DSP56F807具有丰富的片内外资源、较低的功耗、良好的抗干扰能力和工作稳定性以及高速的数据处理能力,所以非常适合于无人机的飞控系统.2　无人机飞控系统设计2.1　系统硬件设计如图1所示,整个系统由地面监控站(GCS )、机载飞控计算机和图像部分3部分构成.GCS 负责无人机飞行状态监控,在目标识别的实现及紧急情况下切换至手动控制.机载飞控计算机包括无人机本体、各种传感器、主控制器以及无线传输设备.图像部分主要为摄像头和图像传输设备.其中,平台串口通信采用最精简的RS232通信协议,即双线通信的异步串行通信接口.控制器与其他远程设备或控制器进行全双工、异步、不归零串口通信,可以实现GPS信号接收及与地面监控站图1　飞控系统图的远程通信.2.2　信号采集及处理2.2.1　信号采集信号采集主要包括ADC 和GPS 等信号采集.ADC 信号采用中断接收方式,首先在主程序中设置好中断条件,当中断条件满足时,CPU 自动调用中断服务子程序;由于GPS 采用ASCII 码接收,因此其帧长度不定,采用接收到字符即产生中断的方法.2.2.2　信号处理通常情况下信号采集处理系统的对象都为大信号,但在一些特殊场合,采集的信号很微弱,其幅值只有几个μV ,并且可能会淹没在大量的随机噪声中.为此,优化前端调理电路,并利用测量放大器抑制共模信号(包括直流信号和交流信号),保证采集数据的精度[7].这里采用时域信号的取样积累平均方法,降低了算法的实现难度.时域信号的取样积累方法就是在信号周期内将时间分成若干间隔,在这些时间间隔内对信号进行多次测量累加.时间间隔的大小取决于要求恢复信号的精度.某一点的取样值都是信号和噪声的叠加,若信号值是S in ,噪声值为N in ,则信噪比为S in /N in .对这一采样点经N 次采样,并对N 个采样值线性积累平均,则信号的值将增加N 倍,即S out =N S in .由于噪声信号的随机性,其平均输出值为N out =N N in ,累加后信号输出的信噪比为S out /N out =N S in /N in ,信噪比改善为P out /P in =N ,其中:P out =S out /N out 表示输出信噪比;P in =S in /N in 表示输入信噪比.・552・增刊Ⅰ 何清华等:基于DSP 的小型无人机飞行控制系统设计 若要恢复的信号逼近真实信号,则理论上采样时间越短越好,重复采样次数越多越好,但实际上由于实时控制要求以及运算能力和存储能力的制约,不能做到任意多次的重复采样.因为IMU (惯性测量单元)等传感器输入的信号幅值往往较小,所以在进行信号处理之前必须进行信号调理放大.这里选用BU RR 2BROWM 公司的INA129小功率通用仪表放大器进行信号调理.它具有优异的精度和很宽的带宽,在增益高达100时,带宽达200k Hz ,其放大倍数G =(1+49.4)k Ω/R G ,其中R G 为可调电阻器电阻值.2.3　软件设计与控制策略2.3.1　神经网络动态逆控制方案目前,在众多的非线性控制系统设计方法中,真正能应用到飞控系统设计的只有反馈线性化方法,并且该方法在有人机上已经得到成功应用,故可以直接基于无人机的非线性模型,采用非线性控制系统设计方法进行设计,非线性动态逆控制就是一种切实可行的非线性控制系统设计方法[4].但是动态逆技术难以克服逆误差与增强鲁棒性[8],所以本文在动态逆控制方案基础上进行基于神经网络动态逆控制的飞控系统设计,控制原理如图2所示.基本思想是用神经网络逼近对象的逆模型,同时用神经网络辨识逆误差.该方案通过神经网络较好地解决了无人机精确模型无法获得的缺陷,其自适应律具有一定的鲁棒性与容错性.图2　神经网络动态逆控制原理图2.3.2　软件流程图3为系统软件总体流程,主要分为4部分:a .初始化,系统软硬件的初始化和参数预置;b .遥控遥测,接收、执行地面监测指令,同时将飞行参数和遥测数据发送回地面监测站;c .自主导航,接收、处理传感器数据,进行控制解算,自主完成导航任务;d .定时与中断处理,完成已规划好图3　系统软件总体流程的相关任务.3　在环回路仿真为进一步验证飞控系统的性能,以DSP56F807为核心,利用Simulink 所建立的无人机模型和RS232串口通信,构建硬件在环回路仿真系统.限于篇幅,在此不详细介绍无人机模型构建方法以及详细的仿真实验步骤,只给出滚转角与偏航角响应图(如图4所示).该飞控系统通过试验验证,达到了预期目的,满足了现代无人机的性能指标并实现了小体积化.基于DSP 的飞控系统具有较高的集成度、较好的实时性和高性价比,在此基础上可以很好地・652・ 华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版)　第36卷图4　滚转角与偏航角响应图实现无人机更大的机动性、更高的灵活性和更广泛的适用性.参考文献[1]古月徐,杨　忠,龚华军.基于DSP的飞行控制器的设计与半实物仿真[J].自动化技术与应用,2005, 24(2):28232.[2]Roberts J M,Corke P I,Buskey G.Low2cost flightcontrol system for a small autonomous helicopters[C]∥Proc2002Australasian Conference on Roboticsand Automation.[s.n.],2003:27229.[3]G avrlets V,Shterenberg A,Martinos I,et al.Avi2onics system for aggressive maneuvers[J].IEE Aess Systems Magazine,2001,9(2):14217.[4]赵　鹏,蒋烈辉,吴金波.基于A T91m55800的无人机飞行控制系统设计与实现[J].微计算机信息, 2005,21(4):97298.[5]刘　波.无人机非线性控制律研究和仿真[D].长沙:中南大学机电工程学院,2006.[6]范寿康,康广荃,尹　磊,等.Freescale16位DSP原理与开发技术[M].北京:机械工业出版社,2006.[7]华　容.信号分析与处理[M].北京:高等教育出版社,2004.[8]曹云峰,苏丙未,沈春林.无人机飞行控制系统先进设计技术评述[J].飞机设计,2001,12(4):10214.・752・增刊Ⅰ 何清华等:基于DSP的小型无人机飞行控制系统设计 。

基于DSP的无人机双冗余飞控计算机系统设计与实现作者：顾锐,杨辉来源：《电脑知识与技术》2011年第17期摘要：该文根据无人机对可靠性的要求，结合工程实践，详细介绍了一种双冗余飞行控制计算机系统的总体设计和具体实现方案。

本系统在以TMS320F2812数字信号处理器为核心的成熟飞控计算机基础上，加入一套硬件相同且功能相似的飞控计算机并添加少量硬件及软件模块，以较小成本大大提高飞控计算机的可靠性。

文中分别对该系统软硬件的核心部分进行了详细描述，该方法实施简单，易移植和工程化，具有较好的通用性。

关键词：无人机；双冗余；飞控计算机；数字信号处理器中图分类号：TP273+.5文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)17-4104-02近年来，随着各种航空和电子技术的发展，使无人机在性能上得到突飞猛进的发展。

随着无人机飞行功能的日益增多，任务要求越来越复杂，使飞行控制系统变的越来越复杂，从而出现故障频率越来越高，因而其核心飞控计算机的可靠性问题变的日益突出，进而对其容错研究成为当今的热点。

该文中飞控计算机的设计基于TI公司开发的一款32位DSP芯片TMS320F2812(以下简称F2812)，同时利用双机冗余技术来提高飞控计算机可靠性。

1 双冗余飞控计算机系统的工作原理双冗余飞控计算机系统主要由输入通道、主飞控计算机、副飞控计算机、通道控制电路四部分组成。

在通道内部，外部的输入信号分别送到主飞控计算机和副飞控计算机，两个飞控计算机在分别进行监控表决后通过SPI总线进行通信，判断输入信号的对错，然后分别进行各自控制律的解算，同样对解算的结果进行监控表决，若结果正常则进行下一步处理，否则发现故障则主飞控计算和副计算机分别进行故障诊断和故障定位，最终确定故障飞控计算机并将它隔离，同样在两个飞控计算机之间，每隔一定的时间通过SPI总线相互通信。

若某一通道发生了永久性故障，则由飞控计算机内部的仲裁模块进行通道的切换控制[1]。

基于DSP的四旋翼无人飞行器控制系统【摘要】本文以四旋翼飞行器为研究对象，以TMS320F28335为核心，搭建飞行器硬件平台，实现四旋翼飞行器的姿态控制。

详细介绍了控制系统硬件设计方法，采用基于RBF神经网络整定的PID控制策略，最终实现了飞行器的垂直起降、稳定悬停和便携设备超远程控制。

【关键词】四旋翼飞行器;控制系统;DSP近年来，四旋翼飞行器日益受到学术界关注。

四旋翼飞行器融合了直升机与固定翼飞行器的优点，同时因该飞行器具有卓越的飞行控制性能和对各种环境极强的适应性能力，现已发展为集军用、商用、民用多位一体的无人驾驶工具。

本研究在现有的四旋翼飞行器的理论与技术基础上，选用32位DSP处理器，可快速编写控制算法，更好实现算法要求，达到设计目标。

通过对四旋翼飞行器工作原理的分析，开展对四旋翼工作模式与控制参数的研究，得到相应的控制算法，然后编程、仿真，实现对其飞行姿态控制的研发。

1.系统工作原理和结构框架1.1 四旋翼飞行器工作原理四旋翼飞行器飞行姿态通过调整四个旋翼转速实现，升降的垂直运动通过4个旋翼同时增（减）速得到，当4个旋翼的升力之和等于飞行器自重时，飞行器保持悬停。

水平面内的前后运动是在旋翼A、B分别增（减）速的同时，旋翼C、D减（增）速，这样机身就会发生向后或向前的倾斜，可在水平面内前后运动;俯仰运动通过旋翼A、C速度不变，旋翼B增（减）速的同时旋翼D减（增）速来实现的。

相似地可以实现滚转运动，即旋翼A增（减）速同时旋翼B减（增）速。

通过组合以上的基本运动，可实现飞行器的各种复杂运动。

四旋翼飞行器的结构俯视图如图1所示。

图1 小型四旋翼飞行器结构俯视图1.2 控制系统总体框架四旋翼飞行器的飞行控制系统由姿态传感器、主控制器和电机驱动等部分组成。

姿态传感器用来测量四旋翼飞行器的飞行状态信息，主控制器根据这些传感器反馈回来的状态信息、预先给定的状态和现场无线输入的控制指令进行处理，使控制系统根据控制算法处理结果输出4路PWM信号控制电调从而控制电机转速，以实现自动调节旋转力矩来稳定飞行姿态。

一种ARM+DSP架构的小型无人机飞行控制平台软件设计雷金奎;赵晨;陈浩【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2014(000)015【摘要】为了提高小型无人机飞控计算机的处理速度和解算精度，提出了ARM+DSP的解决方案。

ARM作为主处理器负责任务管理和数据采集，DSP作为从处理器负责数据处理，两处理器通过双端口RAM进行数据交换。

本设计实现了双处理器协同工作飞控软件设计，移植了嵌入式ARM-Linux系统，完成了A/D、双端口RAM等底层驱动及应用，具有可靠性高、便于维护和功能扩展的特点。

%In order to improve the processing speed and calculation accuracyof small UAV flight control computer , ARM +DSP solution is put forward. As the main processor, ARM is responsible for the task management and data collection. DSP is responsible for data processing. Two processors exchange data through dual port RAM. This design has realized the cooperation of double CPU and flight control software, transplanted the embedded ARM-Linux system;completed the underlying drivers and application of A/D,dual port RAM and so on, with the characteristics of high reliability, easy to maintenance and function extension.【总页数】3页(P191-193)【作者】雷金奎;赵晨;陈浩【作者单位】西北工业大学第365研究所，陕西西安 710065;西北工业大学陕西西安 710072;西北工业大学陕西西安 710072【正文语种】中文【中图分类】TN99【相关文献】1.基于双DSP架构的微小型无人机飞行控制系统 [J], 谷新宇;李宗伯2.小型固定翼无人机飞行控制软件设计与开发研究 [J], 张岩3.基于SOPC的微小型无人机容错飞行控制平台设计 [J], 张小林;李海生;原丹丹4.基于VxWorks的小型无人机飞行控制软件设计 [J], 张朋;李春涛5.一种小型旋翼无人机平台的设计及飞行验证 [J], 郭庆;宋笔锋;张炜;张怡哲因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。