多核框架下无人机控制系统探析

多核框架下无人机控制系统探析

摘要:为了解决目前单核无人机控制系统的程序复杂和不易于二次开发的问题,本文设计了多核控制系统结构,将飞行数据采集、飞行姿态数据计算分析和电机控制、飞行数据存储分别采用不同的芯片进行并行处理。通过实物调试,本系统拥有良好的飞行性能,控制系统的综合处理能力也大大提升。

关键词:无人机;并行控制;多核系统;嵌入式技术

0引言

无人驾驶飞机简称“无人机”,在航拍、植保、测绘等领域都有应用。无人机控制系统是无人机的核心部分,是当前的研究和学习的热点。目前常见的无人机控制系统多采用单核控制系统,因为需要对多个传感数据进行采集和分析处理,同时实时性要求较高,一般采用的控制芯片价格较贵,芯片相应的程序结构也相对复杂,不易于二次开发。本文对现有无人机控制系统的功能分析,把功能分为基于传感器的数据采集部分、数据分析处理和电机控制部分、飞行数据存储和显示三部分,分别采用三个芯片进行处理,不仅很好将程序进行模块化,有效的降低对芯片性能的要求。

1硬件电路设计

系统的硬件原理框图如图1所示。该系统以主控制单元、数据采集单元、数据记录和显示单元为核心,由传感器模块、电机驱动模块、接收机、人机交互模块等构成。

1.1主控制模块。主控制模块由主控制单元、电机驱动模块、接收机模块组成,如图2所示,主控制单元采用STM32F411CEU6芯片,它是意法半导体F4系列的MCU,拥有较高的主频和丰富的外设资源。电机驱动模块采用大力四合一电调,该电调每路支持40A的电流输出。接收机模块采用与MC6C遥控器相配套的MC7RB接收机。

1.2数据采集模块。数据采集模块由数据采集单元、传感器模块组成,如图3所示,数据采集单元采用STM32F301K8U6芯片,它是意法半导体F3系列的一款MCU,拥有高速的IIC通信外设,并比F1系列多了一个硬件浮点运算单元。本系统采用的传感器芯片是MPU9250和FBM320,其中MPU9250集成了陀螺仪、加速度计和磁罗盘等传感器,FBM320是气压计传感器。

1.3存储显示模块。存储显示模块由数据记录和显示单元、人机交互模块组成,如图4所示,数据记录和显示单元采用STM32F103CBU6芯片,它是意法半导体F1系列的一款MCU,其价格便宜,市场占有率高,其性能足够满足人机交互性能要求。

2软件部分设计

系统程序软件由主控制模块程序、数据采集模块程序和存储显示模块程序组成。

2.1主控制模块程序。如图5所示为主控制模块程序的流程图,此模块负责接收决策信号、转发数据和控制电机。系统上电启动后先初始化串口外设,接着接收数据采集模块发送的数据,数据接收成功后,系统对数据进行分析,进行电机控制。

2.2数据采集模块。如图6所示为数据采集模块流程图,此模块负责读取传感器的数据并记录传感器的状态。系统上电后执行导航程序,将数据传递给主控制单元。系统启动后需初始化与主控制单元通讯的USART外设、与传感器通讯的IIC外设、传感器。

2.3存储显示模块。如图7所示为存储显示模块流程图,此模块主要负责数据显示和存储,系统对接收的数据进行重组,同时进行按键扫描、屏幕显示和SD卡数据写入。

3结语

本文对无人机的控制系统进行改进,用多核控制系统替代单核控制系统,降低了系统对芯片性能的要求,增加了系统的计算能力,有效的提升了系统的实时性,同时,在多核的硬件基础上,对程序结构进行改进,模块化程序,降低了二次开发的难度。

作者:吕丁豪 潘仁斌 陈正杰 丁盛梁 吴卓影 谭伟文 张庆芳 单位:苏州经贸职业技术学院