基于ARM的自主无人直升机软件系统设计
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０、 述 概
无 人 机 是 一 个 极 具 挑 战 性 的 多 学 科 交 叉 的 前 沿 性 研 究 课
＿
系 统结 构 图 如 图 １ １ 示 — 所
２０ ０ ８年第 １ ２期
福
建
电
脑
５
基于 Ａ Ｍ 的 自主无人直升机软件 系统设计 Ｒ
蔡伟峰 ，裴海龙 ，刘栋炼
（华 南理 工 大 学 自动 化科 学 与工 程 学 院 广 东 广 州 ５ ０ ４ ） １６ ０
【 摘
要】 ：根据 小型无人 直升机 飞பைடு நூலகம்控制 系统 高性 能 ， 小体积等特 点 ， 出并设计 实现 了以 ＡＩ １ Ａ ７ Ｅ５ ２￣ 提 ＇ Ｓ Ｍ Ｓ （１） ＇ ９
器
作 为核 心 的 自主 无人 直 升 机 控 制 系统设 计 方 案 。 详 细 描 述 了整 个 系统 的 软 硬 件 构 架 ， 出 了具 体 的 控 制 实 现 方 案 ， 点 介 绍 提 重
了 飞行 控 制 软 件 的 各 个 模 块 的 功 能 。 程 图 以及 代 码 实现 。 流
【 关键词】 ：小 型无人直 升机 ； 飞行控 制 系统 ； ａ ａ Ｋ ｌ ｎ滤波； Ｉ ｍ ＰＤ控 制； ＲＭ Ａ
面 站模 块 各 模 块 主 要完 成 的任 务 如下 ： １ 数 据 采集 与处 理 模 块 ： 集 Ｉ Ｕ、 子 罗 盘， 纳 ， Ｐ ） 采 Ｍ 电 声 Ｇ Ｓ数 题 作 为 空 中 机 器人 的无 人 驾 驶 直 升 飞 机 。在 军 事 上 可 用 于 侦 据 ． 及 遥 控 Ｐ Ｍ 信 号 以 Ｃ ２ 滤 波 与 控 制 模 块 ：姿态 的解 算 以 及控 制 算 法 计 算并 输 出 １ 察 、 视 等 ， 民 用上 可 用 于 大 地 测 量 、 感 等 。 用 范 围的 不 断 监 在 遥 应 扩 大对 无 人 机 的 性能 提 出 了更 高 的 要 求 ，包 括 系统 稳 定 性 和 控 控 制 量 制 精 度 的要 求 。其 中 作 为 主 控 器 的 Ｃ Ｕ 的 性 能 更 是 重 中之 重 。 Ｐ ３ 通 讯模 块 ： 站 和地 面 站 的通 讯 １ 机 ４ １地 面 站 模 块 ：实 时 监 控 飞 机 的 飞 行 状 态 以及 在 线 调 节 主 控 器 在 整 个 无 人 机 系 统 中扮 演 着 ｌ 脏 ” 重 要 角 色 ． 的 基 Ｉ ｜ 的 它 本 功能 是 实 现 高性 能 的 自 主导 航 、 自动 飞行 控 制 、 务 管 理 和 手 Ｐ Ｄ参 数 任 Ｉ 自控切 换 等 任 务 ２１数 据 采 集 与 处 理 模块 ． 导 航 传 感 器 信 号 的 准 确性 、 时性 、 实 可靠 性 直 接 影 响 着 飞 行 基 于 上 面 的 系 统 需 求 ．我 们 选 用 高 性 能 的 ３ ２位 微 控 制 器 Ａ ９ Ｓ Ｍ７ Ｅ５ ２作为 主 控 器 ． 过 配 备 协 处 理 器 ＭＥ Ａ Ｔ １Ａ Ｓ （１） 通 Ｇ ８单 片 控 制 系 统 的 控 制 性 能 。 图 ｌ １所示 。 Ｒ 如 一 Ａ Ｍ７通 过 Ｃ Ｍ Ｏ ０经 过 数 机 、 性 能 的接 口转 化 电 路 、 定 的 电源 模 块 等 构 建 飞 行 控 制 计 传 电 台 跟 地 面 通 讯 ．通 过 Ｃ Ｍ１ Ｍ Ｇ ８通 讯 采 集 Ｐ Ｍ 信 高 稳 Ｏ 跟 Ｅ Ａ Ｃ 算 机 ． 丰 富 的外 围 传 感 器模 块 、 载 伺 服 系 统 等 构 成 了一 套 高 号 ．通 过 Ｄ Ｇ 口采 集 Ｃ） 据 ．通 过 Ｓ Ｉ 与 机 ＢＵ Ｉ Ｓ数 Ｐ 口采 集 Ｉ ，０ ＭＵＣ Ｍ． 性 能 、 功 耗 、 积 小 的 自主无 人 直 升 机 硬 件 系 统 ， 在 硬 件 系 Ｐ Ｓ 低 体 并 Ａ Ｓ信 号 ． 采集 信 号 的周 期 为 ３ Ｈ ， ０ Ｚ 由定 时 器 Ｔ １ 时 中 断 产 ｃ 定 统 上 ． 们设 计 了一 套 可行 的 导航 软件 ， 中 包 括 机 载 软 件 和 地 生 。 我 其 面 站监 控 软 件 ２１１串 口采 集 数 据代 码 实 现 ．． 由 于 串 １数 据 通 讯数 据吞 吐 量 大 ． Ｃ Ｍ Ｃ Ｍ１都 是 均 ： ３ 故 Ｏ Ｏ、 Ｏ １ 硬件 系统 构 架 自主无 人 直 升 机 硬件 系统 是 由飞 行 控 制 计 算 机 、传 感 器 系 通 过 Ｄ ＭＡ 方 式 跟 外 设 通 讯 的 。 以 Ｃ ＭＯ接 收地 面 站 ＰＤ参 数 Ｏ Ｉ 统 、 载伺 服系 统 、 面检 测 系 统 、 据 传 系 统 等组 成 。 行 控 制 词 整 数 据 为 例 说 明其 实 现 细 节 ： 机 地 数 飞 ｖｉ ａｔｉｉ（ ｏｄ）／ｌ 化 ＣＯＭ ｏｄＵｓｒ ｎｔ ｖｉ ／ａ始 ＿ ￣ ０ 计 算机 的核 心 是 Ａ ９ Ｓ Ｍ Ｓ （１） Ｔ １ Ａ Ｔ Ｅ５ ２。传 感 器 系 统 由惯 性 测 量 元 卜” 件 （＾ 、 Ｉｌ 电子 罗 ￣（Ｏ Ａ Ｓ、 Ｐ ｕ） Ｃ ＭＰ Ｓ）Ｇ Ｓ和 ￣ （Ｏ Ａ ｔ 成 。伺 服 Ｓ Ｎ ｒ组 ） ， 口 设 置 。 步 模 式 下 ：ｂｔＩｔｐ，ｏｐ ｒｙ＿ 特 率 ：１ ２０ ／ 串 异 ８ ｉ，ｓ ｎ ａｉ 波 ｏ ｔ １５０ 控 制 系统 由 滚转 、 仰 、 向 、 门和 总 矩这 五个 舵 机 组 成 。 据 俯 航 油 数 ＡＴ １ Ｕ ＿ ｏ ｆｕｅ （ Ｏ Ｏ Ａ ９ Ｂ ＭＣ ，Ｔ １ — Ｓ Ａ Ｙ Ｃ Ｍ Ｄ ， ９ Ｆ ￥ Ｃ ｎ ｇ ｒ Ｃ Ｍ ， Ｔ １ ． ＫＡ ９Ｃ． ＿ Ｓ Ｎ ＿ Ｏ Ｅ ｉ ． Ｕ 传 输 系 统 主 要 由 两 台 Ｄｇ 公 司 的 Ｘ ０ 一 ＩＮ 数 传 电 台 构 成 。 ｉ ｉ Ｔ ９ Ｓ— Ａ １ ５ ０ Ｏ； １ ２ ０， ）
无 人 机 是 一 个 极 具 挑 战 性 的 多 学 科 交 叉 的 前 沿 性 研 究 课
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系 统结 构 图 如 图 １ １ 示 — 所
２０ ０ ８年第 １ ２期
福
建
电
脑
５
基于 Ａ Ｍ 的 自主无人直升机软件 系统设计 Ｒ
蔡伟峰 ，裴海龙 ，刘栋炼
（华 南理 工 大 学 自动 化科 学 与工 程 学 院 广 东 广 州 ５ ０ ４ ） １６ ０
【 摘
要】 ：根据 小型无人 直升机 飞பைடு நூலகம்控制 系统 高性 能 ， 小体积等特 点 ， 出并设计 实现 了以 ＡＩ １ Ａ ７ Ｅ５ ２￣ 提 ＇ Ｓ Ｍ Ｓ （１） ＇ ９
器
作 为核 心 的 自主 无人 直 升 机 控 制 系统设 计 方 案 。 详 细 描 述 了整 个 系统 的 软 硬 件 构 架 ， 出 了具 体 的 控 制 实 现 方 案 ， 点 介 绍 提 重
了 飞行 控 制 软 件 的 各 个 模 块 的 功 能 。 程 图 以及 代 码 实现 。 流
【 关键词】 ：小 型无人直 升机 ； 飞行控 制 系统 ； ａ ａ Ｋ ｌ ｎ滤波； Ｉ ｍ ＰＤ控 制； ＲＭ Ａ
面 站模 块 各 模 块 主 要完 成 的任 务 如下 ： １ 数 据 采集 与处 理 模 块 ： 集 Ｉ Ｕ、 子 罗 盘， 纳 ， Ｐ ） 采 Ｍ 电 声 Ｇ Ｓ数 题 作 为 空 中 机 器人 的无 人 驾 驶 直 升 飞 机 。在 军 事 上 可 用 于 侦 据 ． 及 遥 控 Ｐ Ｍ 信 号 以 Ｃ ２ 滤 波 与 控 制 模 块 ：姿态 的解 算 以 及控 制 算 法 计 算并 输 出 １ 察 、 视 等 ， 民 用上 可 用 于 大 地 测 量 、 感 等 。 用 范 围的 不 断 监 在 遥 应 扩 大对 无 人 机 的 性能 提 出 了更 高 的 要 求 ，包 括 系统 稳 定 性 和 控 控 制 量 制 精 度 的要 求 。其 中 作 为 主 控 器 的 Ｃ Ｕ 的 性 能 更 是 重 中之 重 。 Ｐ ３ 通 讯模 块 ： 站 和地 面 站 的通 讯 １ 机 ４ １地 面 站 模 块 ：实 时 监 控 飞 机 的 飞 行 状 态 以及 在 线 调 节 主 控 器 在 整 个 无 人 机 系 统 中扮 演 着 ｌ 脏 ” 重 要 角 色 ． 的 基 Ｉ ｜ 的 它 本 功能 是 实 现 高性 能 的 自 主导 航 、 自动 飞行 控 制 、 务 管 理 和 手 Ｐ Ｄ参 数 任 Ｉ 自控切 换 等 任 务 ２１数 据 采 集 与 处 理 模块 ． 导 航 传 感 器 信 号 的 准 确性 、 时性 、 实 可靠 性 直 接 影 响 着 飞 行 基 于 上 面 的 系 统 需 求 ．我 们 选 用 高 性 能 的 ３ ２位 微 控 制 器 Ａ ９ Ｓ Ｍ７ Ｅ５ ２作为 主 控 器 ． 过 配 备 协 处 理 器 ＭＥ Ａ Ｔ １Ａ Ｓ （１） 通 Ｇ ８单 片 控 制 系 统 的 控 制 性 能 。 图 ｌ １所示 。 Ｒ 如 一 Ａ Ｍ７通 过 Ｃ Ｍ Ｏ ０经 过 数 机 、 性 能 的接 口转 化 电 路 、 定 的 电源 模 块 等 构 建 飞 行 控 制 计 传 电 台 跟 地 面 通 讯 ．通 过 Ｃ Ｍ１ Ｍ Ｇ ８通 讯 采 集 Ｐ Ｍ 信 高 稳 Ｏ 跟 Ｅ Ａ Ｃ 算 机 ． 丰 富 的外 围 传 感 器模 块 、 载 伺 服 系 统 等 构 成 了一 套 高 号 ．通 过 Ｄ Ｇ 口采 集 Ｃ） 据 ．通 过 Ｓ Ｉ 与 机 ＢＵ Ｉ Ｓ数 Ｐ 口采 集 Ｉ ，０ ＭＵＣ Ｍ． 性 能 、 功 耗 、 积 小 的 自主无 人 直 升 机 硬 件 系 统 ， 在 硬 件 系 Ｐ Ｓ 低 体 并 Ａ Ｓ信 号 ． 采集 信 号 的周 期 为 ３ Ｈ ， ０ Ｚ 由定 时 器 Ｔ １ 时 中 断 产 ｃ 定 统 上 ． 们设 计 了一 套 可行 的 导航 软件 ， 中 包 括 机 载 软 件 和 地 生 。 我 其 面 站监 控 软 件 ２１１串 口采 集 数 据代 码 实 现 ．． 由 于 串 １数 据 通 讯数 据吞 吐 量 大 ． Ｃ Ｍ Ｃ Ｍ１都 是 均 ： ３ 故 Ｏ Ｏ、 Ｏ １ 硬件 系统 构 架 自主无 人 直 升 机 硬件 系统 是 由飞 行 控 制 计 算 机 、传 感 器 系 通 过 Ｄ ＭＡ 方 式 跟 外 设 通 讯 的 。 以 Ｃ ＭＯ接 收地 面 站 ＰＤ参 数 Ｏ Ｉ 统 、 载伺 服系 统 、 面检 测 系 统 、 据 传 系 统 等组 成 。 行 控 制 词 整 数 据 为 例 说 明其 实 现 细 节 ： 机 地 数 飞 ｖｉ ａｔｉｉ（ ｏｄ）／ｌ 化 ＣＯＭ ｏｄＵｓｒ ｎｔ ｖｉ ／ａ始 ＿ ￣ ０ 计 算机 的核 心 是 Ａ ９ Ｓ Ｍ Ｓ （１） Ｔ １ Ａ Ｔ Ｅ５ ２。传 感 器 系 统 由惯 性 测 量 元 卜” 件 （＾ 、 Ｉｌ 电子 罗 ￣（Ｏ Ａ Ｓ、 Ｐ ｕ） Ｃ ＭＰ Ｓ）Ｇ Ｓ和 ￣ （Ｏ Ａ ｔ 成 。伺 服 Ｓ Ｎ ｒ组 ） ， 口 设 置 。 步 模 式 下 ：ｂｔＩｔｐ，ｏｐ ｒｙ＿ 特 率 ：１ ２０ ／ 串 异 ８ ｉ，ｓ ｎ ａｉ 波 ｏ ｔ １５０ 控 制 系统 由 滚转 、 仰 、 向 、 门和 总 矩这 五个 舵 机 组 成 。 据 俯 航 油 数 ＡＴ １ Ｕ ＿ ｏ ｆｕｅ （ Ｏ Ｏ Ａ ９ Ｂ ＭＣ ，Ｔ １ — Ｓ Ａ Ｙ Ｃ Ｍ Ｄ ， ９ Ｆ ￥ Ｃ ｎ ｇ ｒ Ｃ Ｍ ， Ｔ １ ． ＫＡ ９Ｃ． ＿ Ｓ Ｎ ＿ Ｏ Ｅ ｉ ． Ｕ 传 输 系 统 主 要 由 两 台 Ｄｇ 公 司 的 Ｘ ０ 一 ＩＮ 数 传 电 台 构 成 。 ｉ ｉ Ｔ ９ Ｓ— Ａ １ ５ ０ Ｏ； １ ２ ０， ）
