無人機控制系統(tǒng)核心硬件

1、2.1 ARM-Cortex M4 架構(gòu)ARM-Cortex M4 架構(gòu)：無人機控制系統(tǒng)可以采用基于ARMS統(tǒng)架構(gòu)的嵌入式處理器來實現(xiàn)，本次 重點基于ARM-Cortex M4架構(gòu)的無人機飛控系統(tǒng)。ARM 是32位嵌入式微處理器的行業(yè)領先提供商，到目前為止，已推出各 種各樣基于通用體系結(jié)構(gòu)的處理器，這些處理器具有高性能和行業(yè)領先的功效， 而且系統(tǒng)成本也有所降低?；贏RMv磔構(gòu)以上的Cortex系列主要分為A （應用處理器）、R （實時 處理器）、M （微控制器）三大應用系列。其中 Cortex-M系列處理器主要是針 對微控制器領域開發(fā)的，在該領域中，既需進行快速且具有高確定性的中斷管 理，又

2、需將邏輯門數(shù)和功耗控制在最低。Cortex-M處理器是一系列可向上兼容 的高能效、易于使用的處理器，這些處理器旨在幫助開發(fā)人員滿足將來的嵌入 式應用的需要。這些需要包括以更低的成本提供更多功能、不斷增加連接、改 善代碼重用和提高能效斗ChssicARM-Cortex 的特點:更低的功耗：以更低的MHz或更短的活動時段運行，基于架構(gòu)的睡眠模式 支持，比8/16位設備的工作方式更智能、睡眠時間更長更小的代碼（更低的硅成本）： 高密度指令集，比8/16位設備每字節(jié)完 成更多操作，更小的RAM ROM或閃存要求易于使用：多個供應商之間的全球標準，代碼兼容性，統(tǒng)一的工具和操作 系統(tǒng)支持更有競爭力的產(chǎn)品：

3、Powerful Cortex-M processor ,每MHz提供更高的 性能，能夠以更低的功耗實現(xiàn)更豐富的功能硬件體系結(jié)構(gòu)大范圍的MAC指令 32或64位累加選擇 指令在單個周期中執(zhí)行單周期雙16位MAC單周期16、32位MAC用于指令提取的32位AHB-Lite接口用于數(shù)據(jù)和調(diào)試訪問的32位AHB-Lite 接口 單周期SIMD運算4路并行8位加法或減法 2路并行16位加法或減法 指令在單個周期中執(zhí)行2路并行16位MAC運算32或64位累加選擇 指令在單個周期中執(zhí)行其他飽和數(shù)學 桶形移位器浮點單元 符合IEEE 754標準單精度浮點單元用于獲得更高精度的融合MACCortex-M4處理

4、器是針對于微控制器市場而設計，其中具有的特性有：?Cortex-M4是一個32位處理器內(nèi)核?內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑是32位的，寄存器是32位的，存儲器接口也是32位的?采用哈佛架構(gòu)?小端模式和大端模式都是支持的?Thumb旨令集與32位性能相結(jié)合的高密度代碼?針對成本敏感的設備Cortex-M4處理器實現(xiàn)緊耦合的系統(tǒng)組件，降低處理器的面積，減少開發(fā)成本?ROMS統(tǒng)更新的代碼重載的能力?該處理器可提供卓越的電源效率?飽和算法進行信號處理?硬件除法和快速數(shù)字信號處理為導向的乘法累加?集成超低功耗的睡眠模式和一個可選的深度睡眠模式?快速執(zhí)行代碼會使用較慢的處理器時鐘，或者增加睡眠模式的時間?為平臺的安全性和

5、穩(wěn)固性，集成了 MPU（存儲器保護單元）? Cortex-M4內(nèi)部還附贈了好多調(diào)試組件，用于在硬件水平上支持調(diào)試操 作，如指令斷點，數(shù)據(jù)觀察點等?有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問并行不悖1.1 .3 基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的微控制器ARM Cortex-M4內(nèi)核是微控制器的中央處理單元（CPU ,配合外圍設備模塊和組件，形成完整的基于 Cortex-M4的微控制器。在芯片制造商得到 Cortex-M4處理器內(nèi)核的使用授權(quán)后，它們可以將Cortex-M4內(nèi)核用在自己的硅片設計中，添加存儲器，外設，I/O以及其它功能塊。不同廠家設計出的單 片機會有不同的配置，包括存儲器

6、容量、類型、外設等都各具特色。由于基于 統(tǒng)一的內(nèi)核架構(gòu)，事實上本書后面所介紹的飛控軟件和算法雖然已ST的STM32F40為基礎，它們是很容易移植到其他公司的同內(nèi)核平臺芯片上的，很 多與外設無關的代碼部分不需要任何改變即可移到其他平臺上，僅需要關注外 圍設備相關部分的驅(qū)動代碼。? 飛思卡爾（現(xiàn)并入恩智浦）基于 ARM Cortex M4內(nèi)核的Kinetis K60 微 控制器系列。Kinetis微控制器組合產(chǎn)品由多個基于 ARMCortexTM_M4K且 引腳、外設和軟件均兼容的微控制器系列產(chǎn)品組成。? ST基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32 F砒控制器系列，具有高達 168MHz勺

7、主頻,以及在此主頻工彳下的基準測試功耗為38.6mA? TI基于ARM Cortex-M內(nèi)核的新型低功耗、浮點 Stellaris Cortex-M4F 微控制器系列?恩智浦半導體NXP Semiconductors N.V.推出LPC4000散控制器，該系列產(chǎn)品采用ARM Cortex-M4和Cortex-M0雙核架構(gòu)的非對稱數(shù)字信號控制器?ATMEL(Atmel Corporation )基于 Cortex-M4 的 SAM4S161.2 STM32F4系列微控制器微控制器意法半導體(STMicroelectronics )推出的基于 ARM Cortex-M4F系列的 微控制器采用了一發(fā)

8、半導體最新的 NVMX藝和ARTfe速器TM處理性能可以達 至 U 1.25DMIP3?集成了新的DS所口 FPU指令?210DMIPS168MHz?由于采用了 ST的ART加速器，程序從FLASH1行相當于0等待?多達 1MB FLASH?192Kb SRAM 128KB在總線矩陣上，64KB在專為CPI®用的數(shù)據(jù)總線上?支持SWD戲調(diào)試接口高級外設接口:?USB OT速 480Mbit/s?IEEE1588,以太網(wǎng) MAC 10/100?PWMS速定時器：168MHz#大頻率?加密/哈希硬件處理器：32位隨機數(shù)發(fā)生器(RNG?帶有日歷功能的32位RTC <1A的實時時鐘，1

9、秒精度?低電壓：1.8VU3.6V VDD,在某些封裝上，可降低至1.7V?全雙工I2S?12 位 ADC: 0.41us 轉(zhuǎn)換/2.4Msps ( 7.2Msps 在交替模式)?高速 USART 可達 10.5Mbits/s?高速 SPI,可達 37.5Mbits/s?Camera接口，可達54M字節(jié)/s針對無人機飛控系統(tǒng)所使用的外設模塊和硬件接口并不需要很多，基本的 主要有以下幾種：?I2C?UART?SPI?PW嘛入捕獲和輸出比較?AD模數(shù)轉(zhuǎn)換SWD/JTAGI 試口 GPIO第康ARM ConeiC HA4CPU 11nMHe控制1WKTT VQAM畀/內(nèi).RAH1岫第MMBi.卜 Q

10、鼻根功能2.3飛行控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)設計與原理2.3飛行控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)設計與原理2.3.1遙控接收機接口比例遙控器有兩種編碼模式PCMf口 PPM而遙控器的接收機的輸出則對應 著三種接口類型，一種是 PWM!信接口，一種是 PPM®信接口，一種是 S-bus什么是PWMPWM又稱脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，是利用微處理器的數(shù)字輸出對模擬電路進行 控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許 多領域中。在多旋翼無人機系統(tǒng)中，PWMJ主要作用是用來控制電機與表示遙控器信一般由遙控接收機接收到PPMB號后，接收機內(nèi)部解碼出每個通道的控制 量，然后按照PWMS號重構(gòu)每個通道并輸

11、出到飛控控制系統(tǒng)中。通過讀取下圖 的恒定脈沖周期中的可變脈沖寬度來進行遙控器發(fā)送數(shù)據(jù)的判定，進而達到控 制無人機的作用。PWM1號的優(yōu)點：?傳輸過程高電平采用全電壓傳輸，非 0即1,具有數(shù)字信號的特性，即可以擁有數(shù)字信號的抗干擾能力。?脈寬的寬度是可以連續(xù)調(diào)節(jié)的，因為這它是傳輸?shù)倪B續(xù)模擬信息。?PWM1號的產(chǎn)生和采集解析比較簡單，只需要一定的數(shù)字電路或者定時器即可，基本不需要占用 CPU勺運算邏輯資源。?傳輸?shù)男盘柫颗c電壓本身無關，因此對電壓上的噪聲紋波等不敏感?？刹斓腗沖導乒，亙主打后葉陣國什么是PCM®碼？PCM 脈沖編碼調(diào)制是Pulse Code Modulation 的縮寫。

12、脈沖編碼調(diào)制是數(shù) 字通信的編碼方式之一。主要過程是將話音、圖像等模擬信號每隔一定時間進 行取樣，使其離散化，同時將抽樣值按分層單位四舍五入取整量化，同時將抽 樣值按一組二進制碼來表示抽樣脈沖的幅值PCM言號編碼過程：PCM信號編碼過程為：模擬信號-> 單位時間采樣-> 量化-編碼，其原理過程可以參考右圖所示遙控器接收機將獲取到的無線數(shù)據(jù)通過右圖的方式將接受到的模擬信號轉(zhuǎn)換成 0'和1'的數(shù)字信號輸入到飛控控制系統(tǒng)中。飛控通過解析接收到的數(shù)字信號得出遙控器接收機發(fā)送的數(shù)據(jù)。f I I I I I t I I 1 a M fl h： Ft t.3S-5什+F K)桿卞丁

13、砰本中打才小n；rnr7nn n ni ；n o i olo i ill o ni I i| i o 1I> I Oifl i )ill nT J什么是S-bus接口 ?S-bus 信號接口，這是日本雙葉電子工業(yè)株式會社（Futaba）所定義的一 種遙控器專用串行總線，它實際上是一種數(shù)字總線，采用數(shù)字傳輸方式，這樣可以非常方便的在嵌入式系統(tǒng)中適配，并且抗干擾性大大提高。由于 S-bus是 一種總線，這意味著一套總線可以擴展連接多個舵機設備，而不需要消耗過多 的物理連線。S-bus 的接口物理層實際上是符合通用串行通信口的標準，TTL電平，使用負邏輯（即低電平是邏輯“ 1”，高電平是邏輯“

14、 0”），波特率使用標準100K;其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如下圖所示故據(jù)幢字節(jié)序列| 0 1-22。二卷小數(shù)據(jù)幀的頭那，其數(shù)四默認票0&1111 0000 （二進制表慶式）122 :總共有22個字藩（17附） , 176位總共分成廣16數(shù)咽通環(huán)簿道,每個通訊 通道占11個位,取追范國f 0*2（M7 ）23 ：數(shù)字誦道和功能字節(jié)二幀字節(jié)介紹 保留 Bit 4-失敷保護使命位 咖5-丟頓信息*相當于接收機的紅燈 。詞6-數(shù)據(jù)通道1S的數(shù)據(jù) 3 7-數(shù)字通道17的數(shù)據(jù)24 ：表示數(shù)據(jù)幀尾一其數(shù)據(jù)默認是OBOOOO 00002.3.2 電調(diào)輸出接口飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)一般是無刷直流電機或者空心杯電機，

15、對于無刷 直流電機需要通過電子調(diào)速器（1.5.4節(jié)）進行驅(qū)動，因此飛控系統(tǒng)通過控制 輸出PWM1號控制電子調(diào)速器，從而控制電機轉(zhuǎn)速。在“光標”飛控系統(tǒng)中， 硬件上采用了 STM32F40處理器的8路TIM輸出PWMB道。采用TIM的輸出比較模式（Output Compare）直接控制PWMI時器輸出, 這樣的好處是輸出控制信號無需消耗 CPU 勺運算資源。2.3.3傳感器接口一股市面上的飛控系統(tǒng)上集成的板載傳感器主要6軸MEM微機械傳感器，即加三軸速度計和三軸陀螺儀，三軸磁力計，氣壓高度計，這種配置稱為 10DOF（degrees of the freedom ）。光標飛控中采用的陀螺儀加速度

16、計是集成一體的芯片MPU6050 MPU6050g供了 SPI接口和I2C接口兩套總線訪問方式。在光標飛控中為了能夠共享總線， 采用了 I2C總線接口。將MPU605魅載在I2C1總線上。氣壓高度計是通過測量大氣壓力來間接獲取氣壓高度的傳感器，本例采用 飛思卡爾（現(xiàn)恩智浦）半導體公司的 MPL3115氣壓高度計來實現(xiàn)該數(shù)據(jù)的測量。其內(nèi)部集成了一個微機械的氣壓傳感器，配備一個24位高精度ADC真擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，并采用I2C接口總線與主機連接。磁力計是通過芯片內(nèi)部的微磁性材料來測量空間3維的磁場強度的傳感器，在“光標”飛控中主要采用的是霍尼韋爾公司的HMC5883來進行測量，也是通過I2C總線外掛

17、的，如圖2-15所示。“光標”飛才5通過可選貼的 0歐姆電阻來 選擇磁力計掛在MPU6050勺I2C從設備總線上，或者直接與 MPU605共享 STM32i芯片的I2C總線2.3.4 GNSS 接口GNSS （Global Navigation Satellite System ）全球?qū)Ш叫l(wèi)星位系統(tǒng)主要 包含美國的GPSr球定位系統(tǒng)，俄羅斯的 Glonass,歐洲的Galileo，中國的 Beidou衛(wèi)星導航系統(tǒng)，以及一些區(qū)域增強系統(tǒng)等無人機在室外無人自主駕駛飛行時候必須要通過 GNSSC統(tǒng)來獲得自己的位 置信息，同時計算與規(guī)劃航線之間的關系，并轉(zhuǎn)換成飛行器的控制信號，從而 控制飛行器按照既定

18、的飛行路線飛行。因此飛控系統(tǒng)一般都集成有GNSS1塊的接口。GNSSK塊一般都采用標準用口（波特率 57600）與主控設備互聯(lián)。2.3.5 SWD 調(diào)試口SWD ,全稱Serial Wire Debug ,即串行總線調(diào)試口，是 ARM司在 CoreSight調(diào)試訪問接口技術(shù)中定義的2線制的調(diào)試規(guī)范，SWDI口比傳統(tǒng)處理 器調(diào)試接口 JTAG規(guī)范（需要5個引腳）的優(yōu)勢非常明顯，它占用較少的芯片引 腳，同時提供高速的調(diào)試性能，尤其對于僅有較少引腳封裝體積較小的微控制 器系列SWD模式比JTAG在高速模式下面更加可靠。在大數(shù)據(jù)量的情況下面JTAG下載程序會失敗，但是SWD發(fā)生的幾率會小很多。在調(diào)試仿

19、真的時候用J-LINK的Cortex-M4方式已經(jīng)足夠，并且在 MDKF的功能已經(jīng)做得非常的好，用 標準20腳的JTAG下載，速度是非常的快，一般初學者都是這樣做的。但是 SWD方式似乎速度更快、更加方便、簡捷、，對于項目中對板子空間要求嚴格、 I/O 口資源緊張的用戶來說更加的有利，正常的JTAGB要20管腳，而J-Link的SWA需要2根線（SWDIO SWCLK就夠了（加上電源線也就 4根），這樣 就節(jié)省了 3個I/O 口（JTDI、JTDO JNTRST為其它所用，并且可節(jié)省一部分 板子的空間 ?僅占用兩個接口，時鐘線 CLK和數(shù)據(jù)線DIO?可以與芯片內(nèi)部的JTAG TAPS制器通信并

20、測試?能夠作為芯片內(nèi)部的AMBA&線的主設備訪問系統(tǒng)內(nèi)存空間和外設以及調(diào)試寄存器 ?高性能的傳輸速率-4MBytes/sec 50MHz?低功耗-不需要額外供電2.3.6 超聲波接口超聲波接口采用串口通訊引腳接口，其中用口通訊端口分別標記為TX （數(shù)據(jù)發(fā)送端口）與RX （數(shù)據(jù)接收端口）2.3.7 系統(tǒng)供電在無人機飛控系統(tǒng)中有很多種供電模式和方式，例如可以通過帶有BEC*能的電子調(diào)速器模塊可以直接輸出 5V直流電源，還有專用的電源模塊可以直接 從2S6s （7.4V22.2V,詳細見1.5.3節(jié)介紹）的無人機電池直接轉(zhuǎn)換，采用 電源模塊的好處是高級電源模塊還配備了電壓和電流采樣電阻，可以

21、實時獲取 電池的供電電壓以及全系統(tǒng)的電流功耗等數(shù)據(jù)，如圖 2-21所示。除以上兩種方 式外，“光標”飛控模塊還配備了直接通過 SW驗口和U轉(zhuǎn)用口模塊接口取電 的方式。為了防止同時從幾個口接入電源導致倒灌，可使用跳線進行電源接口 的選擇。下圖為“光標”飛控的電路電源拓撲圖在飛控系統(tǒng)中為遙測數(shù)傳模塊采用串行通信口連接?！肮鈽恕憋w控采用 STM32S統(tǒng)的UART3I口作為遙測數(shù)傳模塊接口，并且采用與 AP皿PixHawk 等開源飛控系統(tǒng)兼容的接口定義 。2.3.9其他功能和拓展接口飛行控制系統(tǒng)一般還需要提供各種其他的功能和擴展接口，比如用到保存系統(tǒng) 的傳感器校準參數(shù)的EEPRQM使用LEW的亮滅、閃爍來指示系統(tǒng)的狀態(tài)、保 留由虛擬串口通訊使用的USB OTG端口、以及預備了