[發明專利]基于ARM和FPGA架構的固定翼無人機自動駕駛儀

無效

• 申請號: 201210325358.2
• 申請日: 2012-09-05
• 公開（公告）號: CN102830708A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發明（設計）人: 耿慶波;劉浪華;費慶;田培崗;王曉平
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種基于ARM和FPGA架構的固定翼無人機的自動駕駛儀，屬于嵌入式控制、無人機技術領域。

背景技術

自動駕駛儀是按技術要求自動控制飛行器軌跡的調節設備，對于無人飛機，它可以與其他導航設備配合完成規定的飛行任務。自動駕駛儀在現代飛行器上，特別是在微型飛行器或微型無人機上逐漸獲得廣泛應用。

現有的無人機自動駕駛儀一般是由一個微處理器作為CPU來對輸入的各種信息進行處理，同時將處理結果輸出到各外設接口，驅動外設工作，實現無人機自動駕駛。這些自駕儀采用的處理器一般是單片機，ARM或者DSP。這些自駕儀設計方案的缺點和不足之處在于使用單一處理器，對于信息的處理能力受到了限制，由于無人機的帶載能力有限，多數自駕儀只采用了單處理器，這就導致了，單CPU既要采集處理各種傳感器數據，還要對無人機的外設進行輸出以進行穩定和導航的控制，單處理器要進行滿負荷工作甚至超負荷工作，影響了系統的響應速度。

現有技術中也出現了一些用雙處理器作為自駕儀處理器的例子，這樣兩個處理器之間的通訊就必須增加一個雙口RAM來進行協調工作。由于雙口RAM的操作本身就比較復雜，這樣就使得自駕儀系統從軟件和硬件上的邏輯結構都變得更加復雜，額外增加了處理器開銷，系統的調試也變得困難。

現在的很多自駕儀采用成品的姿態獲取器件，使自駕儀包含多個分離器件，體積較大，系統集成度不高，而且這些自駕儀控制軟件中并未加入姿態解算算法，這就導致自駕儀不能對多傳感器數據根據不同的環境情況進行融合優化，限制了自駕儀的適應性。

發明內容

為了解決以上現有技術中的不足，本發明提出了一種基于ARM和FPGA架構的高度集成化的雙處理器自駕儀。

本發明采用模塊化的設計思路，整個系統包括處理器模塊，FLASH模塊，SDRAM模塊，FPGA配置模塊，傳感器模塊，A/D轉換模塊，舵機控制信號輸出模塊，遙控接收機模塊，數傳電臺模塊，GPS接收機模塊，串口可擴展模塊，復位電路模塊，系統供電模塊。其中，處理器模塊基于ARM和FPGA架構，包括主處理器ARM與協處理器FPGA；傳感器模塊包括三軸角速率陀螺、三軸加速度計、動壓傳感器、靜壓傳感器。

主處理器在系統中負責與無線電臺的數據通信、無人機的控制計算、無人機的導航算法計算及與GPS接收機數據交換，包括串口通信模塊、控制導航模塊、解姿態解算模塊、遙控量接收模塊、傳感器讀取模塊和控制量輸出模塊；串口通信模塊和傳感器讀取模塊的輸出都分別連接至控制導航模塊和姿態解算模塊，姿態解算模塊的輸出與控制導航模塊相連，控制導航模塊和遙控量接收模塊的輸出分別與控制量輸出模塊相連。

自駕儀有手動控制和自動控制兩種工作模式，通過判斷接收機指定通道的值，以實現自駕儀在兩種模式間的自由切換。在手動控制模式時，遙控量接收模塊從FPGA獲取接收機的控制量后，直接給到控制量輸出模塊，由控制量輸出模塊把PWM舵機控制信號輸出到FPGA；在自動控制模式時，串口通信模塊通過串口通信協議從串口讀取數傳電臺和GPS接收機的數據，同時傳感器讀取模塊也從FPGA獲取傳感器數據，姿態解算模塊綜合GPS數據和慣性傳感器數據計算出無人機的姿態角，最終數據匯總到控制導航模塊，計算出舵機的控制量，并由控制量輸出模塊輸出給FPGA。本發明的串口可擴展模塊提供可擴展的通信串口，以便于增加外設。

本發明將協處理器作為主處理器的外設，主處理器按操作自身存儲空間的方式對協處理器進行操作。主處理器和協處理器通過數據線和地址線連接，數據線設計為8根，數據以字節的形式傳送，地址線數量可以根據外設數量和主處理器的地址空間選擇。在設計中，與協處理器連接的每一個傳感器都被分配一個獨立固定的地址空間，主處理器通過地址線直接對特定地址進行讀寫，實現對該地址相對應的傳感器進行操作，傳感器讀取的數據直接通過數據線傳遞到主處理器，實現了雙處理器之間的數據交換。