基于FPGA的飞行器控制系统.pdf

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.42M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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第27卷第12期 2007年12月北京理工大学学报 Transactions of Be玎ing InStitute of Technology V01．27 No．12 Dec．2007 文章编号：100l—0645(2007)12．1045一05 基于xscale与FPGA的微小型飞行器控制系统的硬件设计王正杰1，郭如军2，施洋3，刘小东1 (1．北京理工大学宇航科学技术学院微小型系统研究中心，北京 100081；2．兰州卷烟厂，甘肃，兰州730000； 3．湖北襄樊汉丹机电有限公司技术一部，湖北，襄樊441021) 摘要：以微小型飞行器为控制对象，设计了一种基于)￡scale+FPGA的双芯片微小型数字控制系统．该系统用基于您髓1e架构的微处理器处理导航算法和控制算法，用FPGA处理外部信号核心．选择嵌入式Linux作为软件平台，完成了B00tloader设计、嵌入式Linux的裁减和主要器件FPGA的驱动设计．针对FPGA所需处理的信号，设计了用于A／D采样的硬件电路，采用硬件描述语言对电路模块进行了软件设计．实验测试结果表明，该系统具有较高的集成度和较好的实时性．关键词：xscale；微小型飞行器(MAV)；嵌入式Linux；飞行控制系统中图分类号：v249 文献标识码：A Design of the COntrol System Hardware Based on Xscale and FPGA for Microminiature Aerial Vehicles (王．Microminiature systems Research C髓ter，Sch∞l《蛾pace science and Engineering，蹦ing Institute of Technobgy， wANG zheng—jiel， Guo Ru．jun2， sHI Yan矿， LIu xia昏don91 Be的ing 100081，China；2．Lanzhou Cigarette Factory，Lanzhou，Gansu 730000，China；3．No．1 R&D D印anHlent， Handan Mechanical&E1ectronical Company，Xiangfan，Hubei 441021，China) Abstract：mmed at microminiature aerial vehicles(MAV) design， a hardware design S01ution of ∞ntr01 system baSed on FPGA cooperating with Xscale is presented． The micro proceSSor based on Xscale architecture is the main processing kernel of the flight control system， and is used to calculate the navigation and control algorithm．’FPGA is the peripheral chip， used to process most of the input signals．Embedded Linux OS is selected as the S0ftware platform for flight contr01 system．Bootloader is transplanted， that functions in establishing software run—time environment to b00t the Linux kernel． Embedded Linux streamlined and FPGA driving program developed．Considering the need of signal processing， the A／D convertion circuit is designed，which is designed with hafdware design language． Results of tests showed that the hardware platfo珊 of micro digital characteristics of compact size， low weight and cost， which made it more applicable to the MAV． control system had the Key words：Xscale；microminiat毗e aerial vehides(MAV)；embedded Linux；flight control system 与常规飞行器相比，微小型飞行器对于其飞行控制系统的设计提出了新的要求．首先，微小型飞收稿日期：2007一07—26 基金项目：国家部委基金资助项目(9140A03070101BQ0114；A222006450) 作者简介：王正杰(1973一)，女，博士，副教授，E．mail：wallgzhen画ie@bit．edu．cn 万方数据

1046 北京理工大学学报第27卷行器主尺度小、飞行速度低，更需要先进的控制算法完成低雷诺数下飞行器的控制；其次，微小型飞行器在飞行过程中需要完成从侦查、通讯到精确攻击等一系列任务，需要控制系统及时、可靠地完成多种任务模式及其转换；最后，随着微小型飞行器向小型化方向发展，要求飞行控制系统硬件逐渐向微型化、低功耗、低成本的方向发展．作者研究控制系统的硬件、软件等方面的设计，其中硬件设计是整个系统的运行基础和平台【卜2|． 1飞行控制系统任务描述微小型飞行器的飞行控制系统要求具有很好的实时性、可靠性、嵌入性和低功耗等特点．实时性要求对输入的导航数据以最快的速度处理并以最短的延时输出控制信号；可靠性要求抗干扰能力强，有较宽的工作温度范围和抗电磁干扰能力等；嵌入性要求尽量小的体积．针对微小型飞行器需求的飞行控制系统的组成如图1所示．医元磊翮际丽磊翮 H其他扩展接口通讯链路 H ．，… =======爿 I飞控计算机l}==== H惯性测量单元其他传感器单元H 电源及监控单元图1 E行控制系统组成 Fig．1 Configuration of flight control system 惯性测量单元为基于MEMS技术的速率陀螺仪和加速度计；气压传感器、速度传感器、磁航向传感器、GPS接收器是为了提高导航精度而设计的一个多传感器信息融合系统；通讯链路用来实现地面站与飞行器的通信[3．5]． 2飞行控制系统硬件平台设计 2．1飞控计算机的选型与设计嵌入式控制采用微处理器+FPGA方案，主 CPU采用Intel的Xscale PXA255，主频为400 MHz【6|，FPGA芯片采用Xilinx公司的SpartanXL 系列芯片，硬件设计框图如图2所示．为了充分利用系统资源，合理发挥两芯片的处理性能，减少系统响应时间，将FPGA与微处理器、气压高度计、加速度计、陀螺仪以及RF接收机连接，完成对外部数据的处理．由于GPS信号处理比较复杂，所以由主CPU完成对GPS模块与无线通万方数据讯模块的信号处理 I气压高度计l l Ms5534B I 卜＼ ∥ D【O一15】／卜＼ ∥ ＼／A[o．15】卜＼／＼ CPU n甄刊馏鬻嗲苫 PRG CCLK DONE (PXA255) 陬网 noEn、ⅣE ／1 ＼、、 y7 皇》 F=i五：_卜l 缓冲器厶 I壁：茎坚翌!R， M∈i4j嵛B影卜J舵机及 y PWM扩展图2硬件结构图 F培．2 Hardware fralnework 2．2惯性测量单元设计如图3所示，飞行控制系统中的惯性测量单元选用基于MEMS技术的美国AD公司的双轴加速度计和日本住友公司速率陀螺．选用的单片双轴加速度传感器可同时输出数字信号和模拟信号，其分辨力为2 mg，满量程为±10 g，输出信号可以直接送给微处理器，而不必经过A／D转换． z轴加速度信息 !塑塑蕉鏖焦皇 z轴加速度信息飞控计算机巫卜塑芈堡皇鬲n盟蝮辈盥 x轴加速度计 y轴加速度计 g轴加速度计工轴陀螺 y轴陀螺 2轴陀螺图3惯性测量器件接口示意图 Fig．3 Interface sketch of IMU 2．3 A／D采样模块设计陀螺仪输出模拟信号，采用AD公司新推出的芯片AD7706完成模数转换功能．AD7706通过4 个管脚SCLK，nDRDY，DIN，DOUT与FPGA相连接．其中，SCLK为FPGA输入给AD7706的数据读取和输入的时钟；nDRDY为AD7706的输出端口，一般情况下都是处于高电平状态，当AD7706内部数据转换完毕时，山RDY输出低电平，其由高到低的电平转变可以作为中断变化输入给FPGA，FPGA 在获取这一状态后开始读取AD7706的输出数据； DIN为AD7706的输入端口，FPGA通过这一端口将控制数据发送到AD7706内部寄存器中，以设定 AD7706工作在设定方式；DOUT为输出端口， AD7706通过此端口将采样转换后的数据输出给 FPGA，电路原理图如图4所示．

第12期王正杰等：基于xscale与FPGA的微小型飞行器控制系统的硬件设计基本软件模块设计，分别是： 3．1．1引导程序设计 B∞tLoader是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序．通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境．库函数等用户程序 l用户程序层 ● } 系统接口 ^ } 文件系统管理卜 ——一任务管理系统层 } } 接口驱动 l —叫存储器管理l ^ t } 硬件控制层(中断等) 硬件层 ^ t } 硬件层图4 AD7706与FPGA硬件连接电路图 Fig．4 Circuit of AD叮706 in connection with FPGA 2．4电流检测模块设计飞行控制器中耗电量和电流状况是故障检测的重要部分，采用霍尔型电流传感器ACs704ELC检测控制器电流大小，原理框图如图5所示．图5 电流传感器信号沉图 Fig．5 Diag胁of curr∞t signal flo、Ⅳ 2．5电源模块设计在飞行控制器中采用的元器件有两种供电电压，分别为5．0 V和3．3 V．采用LM2594M一5．0和 LM2594M一3．3稳压芯片提供稳定的5．0 V和3．3 V 电源．LM2594M系列稳压芯片的输入电压可以达到45 v，开关频率可以达到150 kHz，在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4％范围内，振荡频率误差在±15％范围内；可以用仅80以的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路(一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路)． 3飞行控制系统软件平台设计软件平台是指飞控计算机的操作系统及基于此操作系统的硬件驱动．由于微小型飞行器经常会在比较复杂的环境下完成较复杂的任务，因此在提高硬件系统的品质同时，也需要选择一个合适的操作系统作为软件平台．源代码开放嵌入式Linux做为飞行控制系统的软件平台是一个很好的选择． 3．1操作系统设计嵌入式Linux运行环境的系统结构包括硬件层、核心层(包括Linux内核、Bootloader、硬件驱动程序等)以及用户程序层，如图6所示．图6嵌入式Linu】【系统结构 Fig．6 FrameⅥmk of embedded Linu】【 3．1．2内核设计基于“nu】(2．6．13版本的实时性能有大幅度的提升，所以选择的Linux内核的版本为针对ARM 构架的Linu)【2．6．13．针对XScale，还要patch相应的补丁，构成飞控系统需要的内核． 3．1．3硬件驱动设计 Linux应用程序与Linux内核之间是通过操作系统给出的一些接口函数进行联系．Linux不允许用户程序直接操作硬件，必须通过操作驱动文件来操作硬件．在本文设计的飞行控制系统中，只有 FPGA是非标准设备，所以只针对它定制基于Linux 的驱动程序． 3．1．4初始化进程设计在驱动完成后，就完成了系统平台的构建，之后的初始化进程即是飞行控制系统的应用软件部分．应用程序中根据任务优先级设计3个线程． ①信息处理线程．负责处理由传感器采集到的各种信息和由数据链路接收到的各种命令，这个线程的优先级最高，主要任务包括：加速度计、陀螺、高度计采集信号的解算、GPS信息解析及信息解算、地面站协议解析． ②算法工作线程．负责做控制算法和异常处理等工作，这个线程优先级低于信息处理线程，主要构建嵌入式Linux操作系统平台主要完成4个任务包括：稳态控制、航迹控制、任务控制算法实现万方数据

1048 和异常处理．北京理工大学学报第27卷通过其DIN管脚发送一定格式的数据以设定 ③下发及轮询线程．负责向地面站传输自身 AD7706的工作方式；其次，FPGA实时检测芯片的状态、时间修正、黑匣子程序等，优先级最低，主要任 DRDY端，当数据转换完毕后，即可进行数据的读取操作，程序设计流程图如图8所示．务包括：地面站协议打包和下传、AD扩展芯片 (MAXl290)的工作态轮询、信息处理、GPS时间修正等． 3．2 FPGA设计 FPGA的设计采用模块化的设计方法，把整个软件系统分为若干个模块：顶层模块、气压高度计模块、AD采样模块、PwM模块以及时钟和复位模块．其中，顶层模块用于将各子功能模块进行例化，时钟和复位模块用于产生软件所需的各种时序信号以及为FPGA系统复位．FPGA系统软件设计流程图如 —翮写通讯寄存器二二[ 写时钟寄存器二二[ 写通讯寄存器：黼兰≯遭登／●Y亟圃函菇翮写设置寄存器图8 AD7706程序设计流程图 Fig．8 Flow cban of software design for AD7706 图7所示．各模块调试和仿真通过之后，在顶层模 3．4 A／D采样程序仿真块的统一之下进行模块间的综合[7-8]．顶层模块气压高度计 =二[二调试，仿真』∽采样二][二调试／仿真顶层模块图7 FPGA软件设计流程 Fig．7 Flow chart of F11GA software deSign 3．3 A／D采样程序设计 AD7706内部有可读写寄存器，接收FPGA发送来的数据，实现对其工作方式的设定．首先，附在舢)7706程序设计中，首先需要通过DIN端口发送指令以设定AD7706工作方式，通过观察仿真波形即可得知所发送的指令是否正确；然后，根据时序要求设定DRDY端的电平发生翻转，作为模拟 -讧)7706内部数据转换完毕时的输出信号；最后，测试文件设计通过DOUT端输出一定格式的数据供 FPGA进行采样，以检验程序能否正确采集数据并保存于指定的寄存器中．在测试文件中，同样需要模拟产生FPGA的晶振时钟，通过程序进行分频以供SCLK使用，AD7706的仿真波形如图9所示．仿真结果表明，程序可以成功实现发送指令和接收数据． 4结论图9 AD厅706的仿真波形 Fig，9 Simulation 0f AD7706 Software design 参考文献： [1]Fahistrom P G，GleasOn T J．无人机系统导论[M]．吴汉使用自上而下的设计方法，以PⅪ心55+FPGA 平，译．北京：电子工业出版社，2005．为核心构建了微小型飞行器的飞行控制系，以嵌入式Linux为软件平台设计了飞行控制系统的软件部分．实验证明，按上述方案设计的飞行控制系统运行稳定，能够适应一般条件下的飞行需求． Fahistrom P G， GleaS0n T J． Introduction of unmanned aemcraft syStem[M]．Wu Hanping transl．Be巧ing：Elec— tronic Industry Press，2005．(in Chinese) [2]陆堍an J，Jones J。Shaw Brad．Fly_by_light contml syS— tem architectures for tactical military aircraft[J]． Proc 万方数据

第12期王正杰等：基于xscale与FPGA的微小型飞行器控制系统的硬件设计 1049 SPIE，1995，2467(132)：132—141． [3]苏永振，胡延霖，陈晖．基于ARM√m1M55800A的无人机飞控器设计[J]．测控技术，2005，24(4)：30—32． su Yongzhen，Hu Yamin，Chen Hui．Des研ofnight∞n— tmller based on ARM棚1M55800A for UAV[J]．Joumal of Testing and ContrDl Technology，2005，24(4)：30—32． (in Chinese) [6]毛德操，胡希明．嵌入式操作系统——采用公开源代码和srton副螺M／xScale处理器[M]．杭州：浙江大学出版社。2004． Mao Decao，Hu ximing． Embedded 0卜adopting the open S0urce code and StrongARm／xscale processor[M]． Hangzhau：Zhejiang University Press，2004． (in Chinese) [7]徐志军，徐光辉．CPLD／FPGA的开发与应用[M]．北京： [4]龙燕，李华驿．自动驾驶仪MP2000及应用[J]．微计算电子工业出版社。2002．机信息，2002，18(11)：15—16． xu z硒un，xu Guanghui．Development and印plication of Long Yan，Li Huayi． Introduction and application of au— CPLD／FPGA[M]．Beijing： Electronic Industry Press， topilot MP2000[J]．Joumal of Control&Automation， 2002．(in C11inese) 2002，18(11)：15一16．(in Chinese) [5]童友斌，胡延霖，苏永振．某小型无人机导航系统的设计[J]．战术导弹技术，2004(6)：52—54． Tong Youbin，HuYanlin，su Yongzhen．Design of naviga— tion iystem for smaⅡuAV[J]．J叫mal 0f Tactical MiSSile Technology，2004(6)：52—54．(in ChineSe) [8]简弘伦．精通Verilog皿L：Ic设计核心技术实例详解 [M]．北京：电子工业出版社，2005． JiaIl Honglun．Be accomplished in Verilog册L：introduc— tion of kemeltechnology for IC design[M]．Be巧ing：Elec— troIlic Industry PreSs，2005．(in CKneSe) (责任编辑：刘雨) (上接第1044面) 条件下，由计算结果得到的图4揭示出：攻击距离必须在一定范围内才能使弹药有效毁伤目标，有效攻击距离和范围随破片飞散角的增大而增大，而毁伤概率的绝对值则随破片飞散角的增大而减小．由图 4可以看出，当破片纵向飞散角为20。时，有效的攻击距离为9～12 m(ARENE为7．8～10．0 m)，这从一定程度上证明了所提出的毁伤效能评估方法能够反映客观实际，有关数学模型和计算程序具有较好的计算精度．从图5可以看出，毁伤概率随破片飞散角的变化存在极值，这可以成为弹药优化设计的依据．另外，应用本文的计算程序，可以任意选择系统参数进行计算，各自独立地研究其对毁伤概率的影响规律．综上所述，给出结论如下： ①针对类似于ARENE的坦克主动防护系统，提出了一种合理可行的弹药毁伤效能评估方法。开发出了毁伤概率计算程序，为与此相关问题的研究提供了一种方法和手段，并可以为其它相关研究所借鉴． ②计算与分析结果可以应用于类似的武器系统工程设计及其方案优化过程．参考文献： [1]张磊，张其国．俄主战坦克主动防护系统[J]．国防科技，2004(7)：29—30． Zhang Lei，Zhang Qiguo．Russian fighting tank’s active pmtection system[J]． Defence Scientific and Technical， 2004(7)：29—30．(in Chinese) [2]李园．坦克主动防护系统防护弹药毁伤效应研究[D]．北京：北京理工大学机电工程学院。2006． Li Yuan．The study of protection amm蚰ition d锄age ef— fect in the tank’s active pmtection syStem[D]．Beijing： Sch00l of Mechatronic En百neering， Beijing Institute of Technology，2006．(in Chinese) [3]赵晓凡．坦克装甲车辆主动防御系统研究[J]．车辆与传动技术，2002，87(3)：53—57． Zhao Xia《an．The study of the active protection system of the tank amor autcnlobile[J]．The Technology of Auto— mobile and Driving Motion，2002，87(3)：53—57．(in Chinese) (责任编辑：刘雨) 万方数据

基于Xscale与FPGA的微小型飞行器控制系统的硬件设计作者：王正杰，郭如军，施洋，刘小东， WANG Zheng-jie， GUO Ru-jun， SHI Yang， LIU Xiao-dong 王正杰,刘小东,WANG Zheng-jie,LIU Xiao-dong(北京理工大学,宇航科学技术学院微小型系统研究中心,北京,100081)，郭如军,GUO Ru-jun(兰州卷烟厂,甘肃,兰州,730000)，施洋 ,SHI Yang(湖北襄樊汉丹机电有限公司,技术一部,湖北,襄樊,441021) 作者单位：刊名：北京理工大学学报 TRANSACTIONS OF BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY 2007，27(12) 0次英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：参考文献(8条) 1.Fahistrom P G.Gleason T J.吴汉平无人机系统导论 2005 2.Corrigan J.Jones J.Shaw Brad Fly-by-light control system architectures for tactical military aircraft 1995(132) 3.苏永振.胡延霖.陈晖基于ARM AT91M55800A 的无人机飞控器设计[期刊论文]-测控技术 2005(04) 4.龙燕.李华驿自动驾驶仪MP2000及应用[期刊论文]-微计算机信息 2002(11) 5.童友斌.胡延霖.苏永振某小型无人机导航系统的设计[期刊论文]-战术导弹技术 2004(06) 6.毛德操.胡希明嵌入式操作系统--采用公开源代码和SrtongARM/Xscale处理器 2004 7.徐志军.徐光辉 CPLD/FPGA的开发与应用 2002 8.简弘伦精通Verilog HDL:IC设计核心技术实例详解 2005 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_bjlgdxxb200712004.aspx 授权使用：陕西理工学院(sxlgxy)，授权号：3c07d216-1fff-4d46-a10c-9df5009eddf9 下载时间：2010年9月18日

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