基于多核框架的無人機控制系統(tǒng)

呂丁豪，潘仁斌，陳正杰，丁盛梁，吳卓影，譚偉文，張慶芳

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州，215009）

0 引言

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，在航拍、植保、測繪等領(lǐng)域都有應(yīng)用。無人機控制系統(tǒng)是無人機的核心部分，是當前的研究和學(xué)習(xí)的熱點。目前常見的無人機控制系統(tǒng)多采用單核控制系統(tǒng)，因為需要對多個傳感數(shù)據(jù)進行采集和分析處理，同時實時性要求較高，一般采用的控制芯片價格較貴，芯片相應(yīng)的程序結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜，不易于二次開發(fā)。本文對現(xiàn)有無人機控制系統(tǒng)的功能分析，把功能分為基于傳感器的數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)分析處理和電機控制部分、飛行數(shù)據(jù)存儲和顯示三部分，分別采用三個芯片進行處理，不僅很好將程序進行模塊化，有效的降低對芯片性能的要求。

1 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖1 所示。該系統(tǒng)以主控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)記錄和顯示單元為核心，由傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、接收機、人機交互模塊等構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

■1.1 主控制模塊

主控制模塊由主控制單元、電機驅(qū)動模塊、接收機模塊組成，如圖2 所示，主控制單元采用STM32F411CEU6 芯片，它是意法半導(dǎo)體F4 系列的MCU，擁有較高的主頻和豐富的外設(shè)資源。電機驅(qū)動模塊采用大力四合一電調(diào)，該電調(diào)每路支持40A 的電流輸出。接收機模塊采用與MC6C 遙控器相配套的MC7RB 接收機。

圖2 主控制單元電路

■1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由數(shù)據(jù)采集單元、傳感器模塊組成，如圖3 所示，數(shù)據(jù)采集單元采用STM32F301K8U6 芯片，它是意法半導(dǎo)體F3 系列的一款MCU，擁有高速的IIC 通信外設(shè)，并比F1 系列多了一個硬件浮點運算單元。本系統(tǒng)采用的傳感器芯片是MPU9250 和FBM320，其中MPU9250 集成了陀螺儀、加速度計和磁羅盤等傳感器，F(xiàn)BM320 是氣壓計傳感器。

圖3 數(shù)據(jù)采集單元電路

■1.3 存儲顯示模塊

存儲顯示模塊由數(shù)據(jù)記錄和顯示單元、人機交互模塊組成，如圖4 所示，數(shù)據(jù)記錄和顯示單元采用STM32 F103CBU6 芯片，它是意法半導(dǎo)體F1 系列的一款MCU，其價格便宜，市場占有率高，其性能足夠滿足人機交互性能要求。

圖4 數(shù)據(jù)記錄和顯示單元電路

2 軟件部分設(shè)計

系統(tǒng)程序軟件由主控制模塊程序、數(shù)據(jù)采集模塊程序和存儲顯示模塊程序組成。

■2.1 主控制模塊程序

如圖5 所示為主控制模塊程序的流程圖，此模塊負責接收決策信號、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和控制電機。系統(tǒng)上電啟動后先初始化串口外設(shè)，接著接收數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收成功后，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析，進行電機控制。

圖5 主控制模塊程序的流程圖

■2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

如圖6 所示為數(shù)據(jù)采集模塊流程圖，此模塊負責讀取傳感器的數(shù)據(jù)并記錄傳感器的狀態(tài)。系統(tǒng)上電后執(zhí)行導(dǎo)航程序，將數(shù)據(jù)傳遞給主控制單元。系統(tǒng)啟動后需初始化與主控制單元通訊的USART 外設(shè)、與傳感器通訊的IIC 外設(shè)、傳感器。

圖6 數(shù)據(jù)采集模塊流程圖

■2.3 存儲顯示模塊

如圖7 所示為存儲顯示模塊流程圖，此模塊主要負責數(shù)據(jù)顯示和存儲，系統(tǒng)對接收的數(shù)據(jù)進行重組，同時進行按鍵掃描、屏幕顯示和SD 卡數(shù)據(jù)寫入。

圖7 存儲顯示模塊

3 結(jié)語

本文對無人機的控制系統(tǒng)進行改進，用多核控制系統(tǒng)替代單核控制系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)對芯片性能的要求，增加了系統(tǒng)的計算能力，有效的提升了系統(tǒng)的實時性，同時，在多核的硬件基礎(chǔ)上，對程序結(jié)構(gòu)進行改進，模塊化程序，降低了二次開發(fā)的難度。