多单片机通信的无人机飞行安控器设计_多单片机_飞行安控器

多单片机通信的无人机飞行安控器设计

2010/3/22 13:27:00

摘要介绍无人机飞行安控器的工作原理和设计实现。以AT89C52单片机为核心处理器，辅以2片AT89C405l单片机，通过并行通信方式扩展其串行口，使其可以装订安控区域数据并且接收GPS或者仿真GPS数据信息，并将GPS数据信息厦解算后的结果实时下传，通过科学的安控算法和蓑略，控制无人机在失控的情况下坠毁在安控线附近。实际应用表明，无人机飞行安控器的设计是有效和可靠的。
关键词 多单片机飞行安控器无人机GPS

某国产大型高亚音速无人机采用的是遥控+自动驾驶仪体制控制飞行，该型无人机目前还不具备自主导航飞行能力，主要依靠接收地面遥控指令完成飞行任务。在遥控系统发生故障等不受控情况下，有可能飞出预定区域，给周边大城市或重要目标带来威胁甚至造成重大损失。为此设计了一种无人机飞行安控器，当无人机飞出预定区域时，安控器执行安控指令，使无人机自行坠毁在预定区域边沿。
由于无人机对安控器执行安控的可靠性要求较高，为了保证该系统的安全使用，对系统软硬件进行了合理设计，并采取了多种可靠性措施。

1 工作原理
无人机飞行安控器通过控制舵机离合器供电线路的通断达到安全控制的目的。首先给安控器装订一个安全区域，存入EEPROM。安控器的主控微处理器通过并行方式与辅助微处理器通信，获取GPS数据，并计算和判断无人机是否在预先装订的安全区域以内。当飞出安全区域时，安控器向执行电路输出控制信号断开舵机离合器供电线路，使升降舵处于最大正舵面，无人机在空气动力的作用下，处于失速状态，快速坠毁。
安控器的主控微处理器还可以通过并行方式与另一辅助微处理器进行通信，向其输出GPS的解算数据，通过数传电台或数据线发送给地面监控微机。生成无人机飞行航迹，供领航参考；或者接收地面监控微机发送的GPS仿真数据，以验证装订的预定区域是否正确。

2 硬件设计
安控器主要由GPS接收机、主控电路、执行电路、加温电路和数传电台组成，如图1所示。其中，主控电路和执行电路组成主机板，完成安控判断和决策任务。

在设计中，主控单片机的串口用于与地面监控微机通信进行安控区域的数据装订和读取。一个辅助单片机的串口与GPS接收机进行通信，获取相关的GPS信息，包括日期、时间、经纬度、速度、航向和高度等，并转换成固定格式提供给主控单片机进行是否在预定区域的数据计算。另一个辅助单片机的串口则与地面监控微机或者数传电台通信，一方面下传GPS信息及解算结果，另一方面也可以获取仿真GPS数据从而验证预定区域装订的正确性。

2．1 主控电路
    主控电路由3片单片机及其外围电路组成，实现与GPS接收机和地面监控微机的同时通信，以及进行浮点运算和判断处理。
    主控单片机采用Atmel公司的AT89C52，2片辅助单片机则采用AT89C4051。它们之间通过并口进行数据交换，其硬件连接如图2所示。图中U3只向主控单片机U1传送GPS数据，所以除数据线外只用到了3根信号线，分别是中断申请信号线、读信号及写信号线。U4与Ul的通信是双向的，所以多了一根数据传送方向信号线F_WR。具体的数据交换操作见后面的相关程序片段。
    在设计中，主控单片机的串口用于与地面监控微机通信进行安控区域的数据装订和读取。一个辅助单片机的串口与GPS接收机进行通信，获取相关的GPS信息，包括日期、时间、经纬度、速度、航向和高度等，并转换成固定格式提供给主控单片机进行是否在预定区域的数据计算。另一个辅助单片机的串口则与地面监控微机或者数传电台通信，一方面下传GPS信息及解算结果，另一方面也可以获取仿真GPS数据从而验证预定区域装订的正确性。

2.2 执行电路
    执行电路采取了双冗余度设计，即构建两路完全相同的执行电路：通过主控单片机的P0．4脚和P0．5脚分别控制两个光耦，进而控制两个大功率MOS管IRF9540。只有两路执行电路都工作才能断开舵机离合器电源，保证了执行安控的可靠性。

3 软件设计
3．1 并行通信实现

下面以图2中的Ul与U4通信为例说明并行通信编程实现方法。U1首先向U4发中断请求信号，U4接收到中断请求信号后进入中断服务程序，并判断数据传送方向。如果是要求发送数据，则当数据准备好后应答U1并将数据送到数据线上，等待U1取走数据，U1在接收到应答信号后，即从总线上取走数据并回应U4，U4即可准备下一个数据。下面为用Keil C51语言编写的数据交换程序的相关片段。