基于dsp和fpga的无人直升机飞行控制系统的制作方法
【专利摘要】一种基于DSP和FPGA的无人直升机飞行控制系统，包括有由无人直升机机体、机载舵机组和无线电接收机构成的模型直升机，所述的模型直升机分别连接机载控制平台和地面站监控平台，其中，所述的机载控制平台包括有机载下位机和分别通过RS232接口与所述的机载下位机相连的姿态测量模块、经纬度测量模块和机载上位机，以及通过SPI接口与所述的机载下位机相连的气压传感器，所述的地面站监控平台设置有与所述的无线电接收机无线连接的遥控器和与所述的机载上位机相连的地面站PC。本实用新型使无人直升机具有了自主飞行能力，自主调节姿态和位置。极大地增强系统的可靠性和灵活性，降低无人直升机使用难度因而能扩大其应用范围。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无人直升机飞行控制系统。特别是涉及一种基于DSP和FPGA的 无人直升机飞行控制系统。 基于DSP和FPGA的无人直升机飞行控制系统
【背景技术】
[0002] 与固定翼飞机相比，直升机具有起飞着陆场地小、可垂直起降、空中悬停、使用灵 活等一系列优点。作为直升机的一种特例，无人直升机还具有无人员伤亡、体积小、造价低、 战场生存能力高等有人驾驶直升机无法比拟的优越性。它的这些独特性，使其在民用和军 事方面均有着广泛的应用。
[0003] 在民用方面，主要的应用领域有：空中交通管制、大地测量、气象观测、城市环境控 制、地质勘测、森林防火、人工降雨、超高压输电线路巡检和通信中继等。
[0004] 在军事方面，主要应用领域有：战场侦察、通信中继、通信情报侦察、军事测绘、探 测战场上大规模杀伤性武器（有害物质）、与其他空中平台协同作战、与卫星或预警机组成 多/双基地雷达预警/侦察系统、信息战、电子干扰及对敌防空兵压制等。
[0005] 无人直升机的应用前提是自主飞行能力。所以，设计一个使无人直升机具有自主 飞行能力的无人直升机飞行控制系统是有意义的。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够增强系统的可靠性和灵活性的基于 DSP和FPGA的无人直升机飞行控制系统。
[0007] 本发明所采用的技术方案是：一种基于DSP和FPGA的无人直升机飞行控制系统， 包括有由无人直升机机体、机载舵机组和无线电接收机构成的模型直升机，所述的模型直 升机分别连接机载控制平台和地面站监控平台，其中，所述的机载控制平台包括有机载下 位机和分别通过RS232接口与所述的机载下位机相连的姿态测量模块、经纬度测量模块和 机载上位机，以及通过SPI接口与所述的机载下位机相连的气压传感器，所述的地面站监 控平台设置有与所述的无线电接收机无线连接的遥控器和与所述的机载上位机相连的地 面站PC。
[0008] 所述的机载下位机包括有：现场可编程门阵列模块，分别与所述的现场可编程门 阵列模块相连的数字信号处理模块、RS232协议电平转换模块、现场可编程门阵列程序存储 模块、多路三态缓冲模块，其中，所述的现场可编程门阵列模块通过SPI接口连接所述的气 压传感器，所述的RS232协议电平转换模块通过RS232接口分别连接姿态测量模块、经纬度 测量模块和机载上位机，所述的多路三态缓冲模块通过PWM输出通道连接机载舵机组和通 过PWM输入通道连接无线电接收机。
[0009] 本发明的基于DSP和FPGA的无人直升机飞行控制系统，使无人直升机具有了自主 飞行能力：自主调节姿态和位置。本发明的基于DSP和FPGA的无人直升机飞行控制系统具 有三种飞行模式：手动模式、姿态模式和位置模式。通过地面站PC，使用者可实时获知系统 的飞行数据，根据应用需要改变系统的飞行模式、姿态给定和位置给定。这些特点极大地增 强系统的可靠性和灵活性，降低无人直升机使用难度因而能扩大其应用范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1是本发明的整体系统构成结构示意图；
[0011] 图2是本发明的机载下位机的构成结构示意图；
[0012] 图中
[0013] 1:模型直升机 2:机载控制平台
[0014] 3 :地面站监控平台 11 :无人直升机机体
[0015] 12:机载舵机组 13:无线电接收机
[0016] 21 :机载下位机 22 :姿态测量模块
[0017] 23:经纬度测量模块 24:气压传感器
[0018] 25:机载上位机 31 :遥控器
[0019] 32:地面站PC 211 :现场可编程门阵列
[0020] 212:数字信号处理模块 213 :RS232协议电平转换模块
[0021] 214:40M有源晶振 215 :现场可编程门阵列程序存储模块
[0022] 216 :接 30M 无源晶振 217 JTAG 接口
[0023] 218:多路三态缓冲模块 219JTAG接口
【具体实施方式】
[0024] 下面结合实施例和附图对本发明的基于DSP和FPGA的无人直升机飞行控制系统 做出详细说明。
[0025] 本发明的基于DSP和FPGA的无人直升机飞行控制系统，提供了一种无人直升机自 主飞行的控制系统和控制方法。该系统有三种飞行模式。手动模式下，地面操控员可通过 遥控器操纵直升机飞行；姿态模式下，系统自主调节无人直升机姿态；位置模式下，系统自 主调节无人直升机位置。这极大地增强系统的可靠性和灵活性，降低无人直升机使用难度 因而能扩大其应用范围。
[0026] 如图1所示，本发明的基于DSP和FPGA的无人直升机飞行控制系统，包括有由无 人直升机机体11、机载舵机组12和无线电接收机13构成的模型直升机1，所述的模型直升 机1分别连接机载控制平台2和地面站监控平台3,其中，所述的机载控制平台2包括有机 载下位机21和分别通过RS232接口与所述的机载下位机21相连的姿态测量模块（IMU) 22、 经纬度测量模块（GSP) 23和机载上位机25,以及通过SPI接口与所述的机载下位机21相连 的气压传感器24,所述的地面站监控平台3设置有与所述的无线电接收机13无线连接的遥 控器31和与所述的机载上位机25相连的地面站PC 32。
[0027] 所述的机载舵机组12含有5个舵机，可接收机载控制平台2发出的PWM信号，实 现对无人直升机的合理操纵。5个舵机中的油门舵机和总距舵机，可调节发动机油门和主 旋翼总距，从而控制主旋翼的转速和升力；俯仰舵机和横滚舵机可改变主旋翼的纵横向周 期变距，使主旋翼前后左右倾斜，从而实现无人直升机的俯仰和滚转运动；偏航舵机可调节 尾桨桨距，从而改变无人直升机的航向。所述的无线电接收机13通过射频无线电与地面站 监控平台通讯，将遥控器31发出的无线电信号转化为五路PWM信号，上传给机载控制平台 2的机载下位机21。
[0028] 所述的机载控制平台2中的IMU为荷兰Xsens Technologies B. V.公司的MTi小 型aMU)。其角度分辨率：0. 05° RMS ;角度动态精度：2° RMS。工作温度：-55°C至+125°C; 通讯协议：RS232C标准。
[0029] 所述的机载控制平台2中的GPS与机载下位机21，通过RS232接口相连，按照 NMEA-0183格式进行异步串行通信。因此任何遵照NMEA-0183格式、提供RS232接口的GPS 模块都适用于本发明。
[0030] 所述的机载控制平台2中的气压传感器模块24,主要由MEAS公司的MS5611芯片 组成。大气压力受温度影响，需要考虑温度补偿，因此MS5611既可以测量大气压又可测量 温度。MS5611采用SPI接口将校正参数和温度、大气压的测量值上传给FPGA，FPGA再通知 DSP读取。DSP利用校正参数对大气压测量值进行补偿，得到校正大气压，然后根据大气压 和海拔高度的关系计算出无人直升机的海拔高度。
[0031] 所述的机载控制平台2中的机载上位机25,主要完成飞行数据存储并充当地面站 监控平台与机载下位机进行的通讯中介。机载上位机采用北京盛博系统科技有限公司的 PC104PLUS嵌入式计算机AT-5010和图像采集卡MPEG-4。AT5010具有RS232接口和USB接 口。本发明使用其RS232接口与机载下位机通讯，使用USB接口安装WIFI模块与地面站PC 通讯。AT-5010还可以安装Windows操作系统，其操作方式与PC机完全相同，并且Windows 的许多应用软件都可安装在AT-5010上。这使得在机载上位机上进行二次开发非常灵活方 便。
[0032] 机载下位机21是本发明的核心。如图2所示，所述的机载下位机21包括有：现场 可编程门阵列（FPGA)模块211，分别与所述的现场可编程门阵列模块211相连的数字信号 处理（DSP)模块212、RS232协议电平转换模块213、现场可编程门阵列程序存储模块215、 多路三态缓冲模块218,其中，所述的现场可编程门阵列模块211通过SPI接口连接所述的 气压传感器24,所述的RS232协议电平转换模块213通过RS232接口分别连接姿态测量模 块22、经纬度测量模块23和机载上位机25,所述的多路三态缓冲模块218通过PWM输出通 道连接机载舵机组12和通过PWM输入通道连接无线电接收机13。所述的现场可编程门阵 列模块211还连接40M有源晶振214, JTAG接口 219。所述的数字信号处理（DSP)模块212 还连接30M无源晶振216和JTAG接口 217。其中：
[0033] (l)DSP模块：主要由TI公司的数字信号处理器TMS320F2812组成。TMS320F2812 外部配置30MHz无源晶振和JTAG接口电路。配置TMS320F2812的PLL (锁相环）为5倍频， 其工作主频设置为150MHz。本发明使用DSP的外部存储器接口与FPGA连接。连接二者的 信号线中，地址线7位，数据线8位。因此FPGA可将其内部的寄存器（不超过128字节） 映射至DSP的地址空间。DSP通过读FPGA内部的寄存器来实现：获取MU、GPS和气压传感 器测量的姿态角、经纬度和大气压信息；获取机载上位机转发的命令字。DSP通过写FPGA内 部存储单元来实现：更新驱动机载舵机组的PWM波，操纵机载舵机组，实现无人直升机的自 主飞行。此外DSP的外部中断输入引脚XINT1与FPGA相连，FPGA有数据需DSP读取时会 在这个引脚上发起中断请求。
[0034] (2)FPGA 模块 211 :主要由 Altera 公司的芯片 EP2C8T144C8N 组成。EP2C8T144C8N 外部配置有源晶振和JTAG接口电路。设置PLL为1倍频，EP2C8T144C8工作频率设置为 40MHZ。通过编程，为 EP2C8T144C8N 配置 4 路 RS232 接口：C0M1-C0M4, 一路 SPI 接口，8 路 PWM信号输出通道和8路PWM信号输入通道。
[0035] 四路RS232接口中C0MUC0M3分别与MU和机载上位机进行数据通讯，其配置为： 波特率115200、8个数据位、1个起始位、1个停止位，无奇偶校验。COM2与GPS模块通讯， 其配置由被选的GPS模块决定。COM4保留不用。FPGA通过C0M1、COM2接收姿态、经纬度， 将其存入特定寄存器后发出中断请求DSP读取。为了实现数据存储和地面站的实时监控， FPGA通过COM2上传飞行数据给机载上位机，接收地面PC发布的命令字后发出中断请求通 知DSP读取。
[0036] FPGA的SPI接口用于和气压传感器进行通讯。FPGA通过SPI接口可读取气压传 感器校正参数和气压、温度侧量值，然后发出中断请求通知DSP读取。
[0037] 8路PWM信号输出通道PWMout [0:7]可输出8路周期22ms，脉宽1. 2-1. 8ms (不同 脉宽决定舵机不同动作）的PWM信号。本发明采用PWM〇ut[0:4]驱动5个机载舵机。8路 PWM信号输入通道PWMin[0:7]可接收8路相同周期、相同脉宽范围的PWM信号。本发明采 用PWMin[0:4]接收无线电接收机上传的PWM信号。
[0038] (3)RS232协议电平转换模块213 :主要由MAXM公司芯片MAX3232E组成。FPGA 的I/O逻辑1为高电平3. 3V，逻辑0为低电平0V ;RS232电平为负逻辑，即逻辑1为负电 平-3V?-12V，逻辑0为正电平+3V?+12V。因此本发明采用MAX3232E实现FPGA电平标 准和RS232电平标准的转换。一片MAX3232E能实现两路RS232接口的电平转换。本发明 的下位机拥有四路RS232接口，故采用两片MAX3232E。
[0039] (4)多路三态缓冲模块218 :主要由TI公司的74ALVC164245组成。本发明中无 人直升机的舵机需要5V高电平的PWM波驱动，机载无线电接收机也输出高电平5V的PWM 波。而FPGA直接输入输出的高点平只有3. 3V，因此需要74ALV164245缓冲，实现电平转换。 74ALVC16425的A端口高电平3. 3V，用来连接FPGA ;B端口高电平5V，用来连接直升机控制 舵机和机载无线电接收机。74ALVC164245能实现16路电平转换，每一路有两个配对引脚 如1A1 (位于A端口）和1B1 (位于B端口）。16路电平转换分为两组。第一组1A1-1B1至 1A8-1B8被配置为从A端口输入信号，B端口输出信号，可以转换FPGA输出的PWM信号驱动 舵机；第二组2A1-2B1至2A8-2B8被配置为从B端口输入信号，A端口输出信号，可以转换 无线电接收机输出的PWM信号输入至FPGA。
[0040] (5) FPGA程序存储模块215 :主要由Altera公司的芯片EPCS4SI8N组成。Altera 公司的FPGA芯片EP2C8T144C8N掉电后不能保存程序。因此需采用EPCS4SI8N保存程序。 上电后，EP2C8T144C8N从EPCS4SI8N读入程序。
【权利要求】
1. 一种基于DSP和FPGA的无人直升机飞行控制系统，包括有由无人直升机机体（11)、 机载舵机组（12)和无线电接收机（13)构成的模型直升机（1)，其特征在于，所述的模型直 升机（1)分别连接机载控制平台（2)和地面站监控平台（3)，其中，所述的机载控制平台 (2)包括有机载下位机（21)和分别通过RS232接口与所述的机载下位机（21)相连的姿态 测量模块（22)、经纬度测量模块（23)和机载上位机（25)，以及通过SPI接口与所述的机载 下位机（21)相连的气压传感器（24)，所述的地面站监控平台（3)设置有与所述的无线电接 收机（13)无线连接的遥控器（31)和与所述的机载上位机（25)相连的地面站PC(32)。
2. 根据权利要求1所述的基于DSP和FPGA的无人直升机飞行控制系统，其特征在于， 所述的机载下位机（21)包括有：现场可编程门阵列模块（211)，分别与所述的现场可编程 门阵列模块（211)相连的数字信号处理模块（212)、RS232协议电平转换模块（213)、现场 可编程门阵列程序存储模块（215)、多路三态缓冲模块（218)，其中，所述的现场可编程门 阵列模块（211)通过SPI接口连接所述的气压传感器（24)，所述的RS232协议电平转换模 块（213)通过RS232接口分别连接姿态测量模块（22)、经纬度测量模块（23)和机载上位机 (25)，所述的多路三态缓冲模块（218)通过PWM输出通道连接机载舵机组（12)和通过PWM 输入通道连接无线电接收机（13)。
【文档编号】G05D1/10GK203882149SQ201420313353
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】吴爱国, 江涛, 马园, 赵萌, 方星 申请人:天津大学