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随着人们的不断努力和研究，自驾仪的技术已经越来发达。

目前，大型无人机的自动驾驶仪技术己日趋成熟,而小型无人机由于其尺寸、成本的限制,其自动驾驶仪技术已成为各国小型无人机领域研究的热点。

1国内外小型自驾仪研究现状

1.1国外小型自驾仪研究现状

（1）AP50XLAP50XL自驾仪是美国UAVFlightSystemsInc.公司的一种用于小型无人机主导产品。

其包含多个低功耗处理器，有GPS、双轴磁力计、气压高度计、三轴惯性器件等多种传感器提供了标准的伺服控制系统油门、升降、方向、副翼、伞降和地面站通讯接口，完全能够为小型飞行器提供稳定机身并进行导航和任务控制这两种功能:

。

并且具有低功耗，质量轻、体积小的特点（功耗小于1W，质量仅40g，40mm×

47mm×

21mm）。

还可以根据不同种类的机型，由用户自由调整飞行控制参数。

（2）KestrelV2.22美国ProcerusTechnologies公司设计生产的KestrelTMAutopilotV2.22，是市场上最小、最轻的全功能自驾仪。

可适应绝大多数环境的侦察任务。

其配套的虚拟座舱地面控制软件可为监视追踪、任务规划、飞行在线调整等等提供便捷的操控。

Kestrel2.22的中央处理器是一片8位处理器（AT56C5529MHz）有差压传感器、静压、MEMS-IMU和3个温度传感器。

该系统采用了温度补偿算法来提高对飞行器状态的测量精度。

开关电源稳压器提高了电源效率正常情况下功耗仅为0.77W，仅需由3.3V或5V，500mA的电源供电。

其电流监控、电池电压功能实时提供电池使用情况。

该自驾仪质量仅为17g。

（3）MP2028MP2028是世界上重量最轻的一款之一，由加拿大MicroPilot公司研制的MicroPilotUAV系列自驾仪性能优良，MP2028是MicroPilotUAV系列中最经典的一款该系列产品在世界范围内的认可度较高。

MP2028内部有加速度计、空速计、3轴陀螺仪和GPS等。

所支持的最大航速为500km/h最大升限为1200m，最大测量加速度为2gn。

它可以满足小型无人机所需要的任何功能，采用GPS路径导航最大支持1000个航点设置支持差分GPS支持用户在线更改参数。

（4）MP2028是加拿大MicroPilot公司MicroPilotUAV系列自动驾驶仪中最典型的一款，MicroPilotUAV系列自驾仪以其优良的性能，得到了世界范围的认可。

MP2028内部集成3轴陀螺仪和加速度计、GPS、气压高度计和空速计。

支持最大航速为500km/h,最大升限为12000m，最大动态范围为150（°

）s/，最大测量加速度为2gn。

在小型无人机自动驾驶仪领域，MP2028虽然是世界上重量最轻的一款之一（质重28g，尺寸仅为100mm*40mm*15mm,功耗为0.9W），但它可提供小型无人机所需要的任何功能。

MP2028采用GPS路径导航，具有高度保持和空速保持功能。

MP2028最大支持1000个航点设置,支持差分GPS，用户可在线更改目标航点、飞行高度和航速等参数。

（5）MNAV100CA是美国CrossbowTechnology，Inc.公司生产的一款用于小型无人机的自动驾驶仪。

内部集成三轴速率陀螺仪、三轴加速度计、GPS、三轴磁罗盘、气压高度计和空速计,所有传感器均经过标定补偿。

MNAV100CA自驾仪的控制板不但集成了伺服电机控制模块，还集成了无线遥控接收机，以保证在必要的情况下可进行人工/自动控制切换。

MNAV100CA的数据输出率为2~100Hz，最大测量角速率为士150（°

）/s,最大测量加速度为±

2gn。

其功耗为.0.8W，质量33g，尺寸为57mm*45mm*11mm。

1.2国内小型自动驾驶仪概述

国内小型无人机的研究非常热,但真正有自主产权自动驾驶仪产品的单位并不多。

现将国内比较有代表性的两款自动驾驶仪概述如下。

（1）MGNC-3是北京航空航天大学“十五”期间研制的一款用于小型无人机的自动驾驶仪。

MGNC-3内部集成三片ARM9系列嵌入式32位CPU作为其中央处理器，每片处理器的运算速率可达200MPIS。

同时系统集成48MFlash存储器和96MSDRAM存储器，可在线存储大量的飞行参数。

MGNC-3内部还集成INS、GPS、磁罗盘和气压传感器，具有高性能、低功耗的特点。

其功耗为3.5W质量250g，尺寸为180mm*70mm*53mm。

MGNC-3利用其高效的捷联算法和Kalman滤波算法，无论在静态还是动态状况,都能提供高精度的姿态和航向数据。

MGNC-3的数据输出率为50Hz,最大角速率量程为±

250（°

）/s，最大测量加速度为±

10gn，航向角量程为±

180°

，俯仰角量程为±

90°

，滚转角量程为±

，姿态精度可达l°

，航向精度可达1.5°

通过飞行器的机动提高Kalman滤波器可观测度，还可进一步提高姿态和航向精度。

为方便使用，MGNC-3还配套地面站软件进行任务规划和远程控制。

（2）iFLY40是北京博创科技有限公司与北京航空航天大学联合研制的一款小型无人机自动驾驶仪。

iFLY40包括导航板、飞控板和舵机扩展板,各部分之间通过CAN总线进行通讯。

iFLY40集成3片CPU,最高运行速率为66MHz，手驾/自驾切换模块采用数字开关切换，实现切换的高可靠性。

其系统功耗为l.2W，质量157g，尺寸为35mm*35mm*120mm。

iFLY40集成三轴陀螺仪、三轴加速度计、数字罗盘和GPS等传感器，可实现多种模式自主飞行。

2自驾仪概述

2.1无人机自驾仪的工作原理

自动自驾仪，简称自驾仪，是飞控系统中的一部分。

要让飞机水平直线飞行，但是飞机收到干扰偏离了原姿态，飞行员看到陀螺地平仪的变化，直接反应的动作时操作驾驶杆使飞机恢复水平。

这是飞行员根据仪表显示，再操作驾驶杆回原位，飞机逐渐恢复水平，驾驶杆停止操作。

如下图所示：

驾驶员控制飞机流程

上图是个闭环的反馈系统。

图中虚线部分代表了飞行员的感知和操纵，自驾仪的作用就是代替了这一部分，与飞机其他部件组成一个闭环系统，并且自驾仪必须包括“手和脑”对应的控制装置。

如下图：

自驾仪构成的闭环系统

自动飞行的原理：

飞行器的飞行状态发生改变后，传感器检测到偏离的方向和大小，并输出相应信号，这些信号经过计算处理，操纵执行机构（如舵机），使控制面（如升降舵面）相应偏转。

由于整个系统生活按负反馈原则连接的，其结果是使飞机趋于原始状态。

当飞机回到原始状态时，明感信号输出信号为零，舵机以及其连接的舵面也回到原位，飞机重新按原始状态飞行。

自驾仪中的敏感元件，放大计算装置和执行机构代替了驾驶员的眼、脑与四肢，自动控制飞机的飞行。

这三部分是自动飞行控制系统的核心，即自驾仪。

2.2无人机自驾仪的组成

一般来说，自驾仪可以分成惯性测量单元、GPS模块、数字式磁罗盘模块、气压测量单元、控制计算处理器、舵机信号输出单元、通讯链路、手自动切换模块和地面控制软件九个基本部分。

当然有些自驾仪还有其他的功能模块，但属于特殊的扩展模块。

如下图简要描述了各部分之间的结构关系。

自驾仪典型内部结构

前四个部分，即惯性测量单元、GPS接收机模块、数字式磁罗盘模块、气压测量单元就如同驾驶员的眼睛，负责将飞机当前的状态信息采集进来。

这个采集过程的好坏直接影响到后续控制效果，若采集的数据有错或延迟，最后的控制效果必然不好。

控制计算处理器就如同人得大脑。

在这个处理器里，传感器采集的数据经过计算，得到各个舵机的舵角，通过控制，飞机就能尽量的按预先设计的轨迹飞行。

控制器中又可以分成不同的回路，如高度回路、舵向回路。

不同的自驾仪中的回路数量和配置不尽相同。

3基于TMS320F2812的小型自驾仪设计

下面主要介绍基于TMS320f2812的微型自驾仪。

微型自驾仪也有以单片机为核心的系统,如市面上开源的APM2自驾仪是釆用ATinega2560作为核心,但由于单片机的处理速度相对有限,对于微型自驾仪这种需要大量矩阵运算和向量变换的的系统,如果对控制的精确性和实时性都要求很高而且要处理的数据量也较大,则单片机的指令速度可能达不到要求。

与单片机相比F2812运算速度更快（时钟最高可达150Mhz）,运算精确度较高而且F2812的片内资源更丰富,常用的A/D、PWM、SPI、SCI、IIC（可虚拟）、eCAN等接口应有尽有。

因此采用F2812做为控制核心有着明显的优势。

3.1总体设计方案

本文所设计的微型自驾仪系统结构框图如下:

本文微型自驾仪结构图

如上图所示,系统主要由以下几个部分构成:

✧TMS320F2812最小系统

✧24LC64IIC接口

✧EEPROMIS61LV256256K片外

✧SRAML3G4200三轴数字螺陀仪模块

✧MMA7361三轴加速度计模块

✧HMC5883电子罗盘模块

✧BMP085气压高度计模块

✧9路舵机（13Kg）接口电路

✧电池供电电源电路

✧NRF24L012.4G无线模块接口

✧H8123GPS模组接口

✧扩展H桥直流电机驱动电路

3.2DSP系统电路

MS320F2812芯片是控制系统的核心,是无人机的“神经中枢”,为了使它能够正常工作,即控制系统上电后能运行,能烧写程序并且能够手动复位,就需要为其设计电源电路、时钟电路、JTAG调试接口、复位电路等外围电路。

为了使DSP能与上位机通信,则需要为其设计串口通信电路。

3.2.1电源电路

本文采用目前市面上很常用的AMS1117芯片来设计DSP及传感器所需的电源电路,AMS1117输出电流可达900niA。

由调试电源接口或电池供电电路输送+5V输入电压,输出三路电源分别为+1.8V、+3.3V和3.3VA。

+1.8V供给CPU内核电压,+3.3V供给DSP的10口电压及传感器电压,+3.3VA供给DSP的ADC模拟电压源.。

稳定而又可靠的电源是系统稳定运行的前提,输入输出端加上lOOuF的去稱电容,一方面起到滤除噪声的作用,另一方面可以起到储能的作用。

此外为了增强系统的EMC性能,在CPU和各个传感器的每个电源引脚附近各放置一个O.luF的滤波电容。

AltiumDesigner中设计的电源电路如下:

DSP及传感器电源电路

3.2.2复位电路

上电复位的基本原理是:

DSP片内检测电路产生上电复位脉冲信号,芯片在上电时将POR电路复位系统电源上升到上电阈值电压时延时计数器触发,之后若计数器没有数据溢出则一值保持复位的状态,系统电源下降到门限电平之下时RESET信号会立即触发。

手动复位的基本原理是:

RESET引脚上持续加上一个低电平,当最小脉冲宽度小于复位低电平的持续时间时,即使时钟信号此时没有运行,也要触发复位过程。

一种阻容复位电路如下图所示:

阻容复位电路

3.2.3时钟电路

由于目前所有的微控制器均为时序逻辑电路,因此都需要有时钟信号才能正常工作,大多数微控制器都设计内部振荡电路,所以F2812系统的时钟源可以由两个方式产生:

其一是利用芯片片内的振荡电路和一个无源晶振;

其二是使用外部有源晶振。

若用前一种方式,虽然其时钟精度也相对较低,但是电路设计简单而且相对成本也较低;

而外部有源晶振虽然精度很高,但是价格也相对较高。

本文采用前一种方式提供系统的时钟,F2812芯片片内带有锁相环（PLL）电路,在F2812在两个时钟引脚XI和X2上接30M的无源晶振,晶振的振荡信号经过锁相环5倍频处理后进入F2812的内核。

此外,在晶振的两端各接上一个22PF的滤波电容,这样可以过干扰信号,降低振荡信号噪声。

F2812有4个倍频位,能够实现0.5?

10倍的倍频。

时钟电路如下图所示:

时钟源电路

3.2.4JTAG接口电路

在实际的DSP应用系统运行时,虽然调试与测试接口并不是必需的,但是现代电子系统越来越强调系统的可调试性,所以在设计F2812的应用系统时,就有必要为其设计一个JTAG接口供芯片下载调试和仿真测试使用。

电路如下图所示:

6JTAG接口电路

3.2.5外存储器电路

F2812芯片的片内数据存储器较小,只有18KX16位,虽然内部存储器的效率较高,但若每次调试时都烧入片内FLASH的话,可能会影响闪存的寿命而且操作也较麻烦。

所以一般要为F2812外扩一个SRAM存储器。

F2812为用户提供5个XINT接口,最大可扩展大约1MX16位存储空间。

本例采用IS61LV256芯片,一种256K的SRAM存储器,它有16根数据线和18根地址线。

数据线连接F2812的DO?

D15,地址线连接F2812的AO?

A17,片选信号CS2和读信号WD、写信号RD都是由F2812引出来的。

此外为系统增加了一片外扩EEPROM,用GPIO引脚虚拟IIC总线进行传输。

外扩EEPROM电路

外扩SRAM电路

3.2.6串口电路

SCI是经常用到的异步串行通行协议,包括RS232,RS485和RS422通信方式,RS232为全双工通信,最大传输距离15m,最主传输速率为20Kb/s,它是一种点对点的通信方式,只能用一对收发设备。

RS485为半双工通信,采用差分通信的方式,最大传输距离可达1.2Km,最大传输速率可达lOMb/s,可用于多

点互联。

F2812有两个完全相同的而且相互独立的SCI模块,SCIA和SCIB,这两个模块可以独立配置,本文将两个模块中的一个配置为RS232通信,用于自驾仪和上位机之间的通信,另一路配置为RS485通信,用来与扩展GPS模块进行联系。

RS232接口电路部分使用MAX3232CSE芯片设计,RS485接口电路部分使用MAX485ESA芯片设计。

电路图如下所示:

RS232串口电路

基于RS485的GPS接口

3.3传感器接口电路

传感器是微型自驾仪的“神经末梢”,各种传感器可以感知无人机的姿态、高度、速度、航向等信息,并将它们转换成电子系统可以识别的电信号。

只有依据这些采集到的电信号,由烧写在DSP芯片内的算法做出合理精确的计算并输出PWM控制信号,飞控系统的执行机构一舵机才能相应做出正确的动作来控制无人机的飞行。

3.3.1L3G4200D陀螺仪

L3G4200D是MEMS低功耗三轴数字陀螺仪。

提供三种不同的用户可选择的灵敏度范围（±

250/±

500/±

2000dps）。

它包括一个传感元件和一个集成电路接口,能够将检测到的角速度通过一个数字接口（I2C/SPI）传输。

传感元件的生产是用CMOS工艺实现的,允许设计者裁剪以更好地匹配传感元件特征。

L3G4200D为LGA封装,可以提供优良的温度稳定性和高分辨率。

三轴数字陀螺仪L3G4200D是系统核心传感器设备之一,模块的主要参数如下:

Ø

电源电压范围2.4~3.6V

三个可选择灵敏度范围（土250/土500±

2000dps）

内建16位ADC

支持SPI和IIC通信协议

16比裤働舰輔娜丨

工作温度細-4輕航

两个数字输出线（中断和数据就续）

嵌入式_先入纖栈）

8位温度数据输出

L3G4200D陀螺仪主要负责检测机体的姿态信息,也就是机体的俯仰角、滚转角和偏航角,它内置有16位的ADC,通过SPI总线与CPU通信。

L3G4200D模块支持5V上电,XC6206可将5V电转换至3.3V供给L3G4200芯片,模块引脚的8个引脚如上图所示分别为VCC、SCL、SDA、GND、SDO、CS、DRDY、INT。

设计出F2812与陀螺仪模块相连的接口电路,如下图所示:

陀螺仪接口电路

陀螺与F2812的SPI总线连接方法为:

✧CS连接SPI片选SPI—CS

✧SPC连接SPI时钟线SPI—CLK

✧SDA连接SPI主机输出SPI_^SIMO

✧SDO连接SPI主机输入SPI—SOMI

✧REDAY数据就绪

✧INT1为中断信号

3.3.2MMA7361加速度计

MMA7361为三轴小量程加速度计,他根据物件的运动和方向改变输出信号的电压值。

后面的图片出示了它们之间的关系。

各轴的信号在不运动或不被重力作用的状态下输出为1.65V。

如果其沿着某一方向活动,或者受到重力的作用,输出电压值就会根据其运动方向以及设定的传感器灵敏度而改变其输出电压,用F2812的A/D转换器读取此输出信号,就可以检测其运动和方向。

每个方向的输出电压U与加速度a的关系式为:

MMA7361三轴加速度计

MMA7361接线定义:

3.3V引脚3.3V工作电压

5V引脚可选,5V电源引脚

Og_detectOg信号检测

Self—test芯片自检与初始化

ZoutZ轴加速度输出

YoutY轴加速度输出

XoutX轴加速度输出

Sleep芯片休眠

MMA7361与DSP的接口电路图如下,用F2812的ADCINAO、ADCINAl和ADCINA2引脚读取MMA7361检测到的加速度信号。

剩余的15个通道在编程时需要禁止以降低采样的干扰。

加速度计接口电路

3.3.3HMC5883磁感应计

航向是当前无人机水平运动方向与地理正北方向的角度关系。

无人机的机头指向并不一定是真正的当前航向,由于陀螺仪无法确定无人机的航向信息,因此需要在自驾仪中集成一个磁场感应计,它可以检测三个轴向上的磁场,从而可以用来实时检测无人机的航向信息。

霍尼韦尔HMC5883是表面贴装,单芯片设计的低磁场应用模块,是一种定向磁场和数字接口的磁感应器。

HMC5883包含高分辨率HMC118X系列磁阻传感器和ASIC含放大、自动消磁驱动、偏移取消功能和一个12位的ADC,罗盘航向精度达到r或2°

HMC5883支持I2C总线以便于与其它控制器通信。

HMC58831的芯片尺寸为3.0x3.0x0.9mm,16引脚的LCC封装。

HMC5883的应用包括移动电话,笔记本电脑,消费电子,汽车导航系统,和个人导航设备。

HMC58831具有各向异性特征,传感器的精度符合单轴的定向灵敏度和线性度。

它固态结构同时具有非常低的交叉轴灵敏度,霍尼韦尔的磁传感器是最灵敏、最可靠的工业低场传感器,产品参数如下:

✧低电压操作（2.16至3.6V）低功耗（lOOuW）

✧内建12位ADC

✧160Hz最大输出率

✧磁场范围（+/-80e）

✧lie数字接口

✧低噪声AMR传感器达到2毫高斯±

8、:

高斯域的分辨率

✧三轴觀传感器与3.0x3.0x0.9nimLCC封装

✧支持软件算法

根据HMC58831的引脚定义,地磁计与F2812的接口电路可以用GPIO来虚拟nc总线:

电子罗盘接口电路

3.3.4BMP085气压高度计

目前常用的检测无人机高度信息的方法有两种:

超声波高度计和气压高度计。

前者的检量范围有限,所以本文用第一种方法设计,BMP085是一种数字气压传感器,因为不同的海拔高度所对应的大气压强不同,所以利用气压计测理的大气压强可以很方便的计算出无人机当前所在的高度信息。

用测量的大气压强P和海平面大气压强Po就可以计算当地海拔高度。

（例如,当地大气压1013.25hPa）海拔高度以米为单位,可以用下面的公式计算出来：

也就是说,大气压强每改变IhPa,海拔高度增加8.43m。

BMP085仅支持IIC总线协议,因此同样用F2812的GPIO虚拟IIC总线,BMP085的与F2812的接口电路图如下所示:

气压高度计接口电路

3.3.5NRF24L012.4G模块

NRF24L01是一种高速嵌入式无线数传模块,工作于2.4GHz的放ISM频段,最大OdBm发射功率,免许可证使用支持六路通道的数据接收。

1.9?

3.6V低电压工作,2Mbps波特的高速率。

由于空中传输时间很短,极大的降低了无线传输中的碰撞。

125频点,满足多点通信和跳频通信需要。

内置2.4GHz天线,体积小巧,15x29mm（包括天线）。

当工作在应答模式通信时,快速的空中传输及启动时间,极大的降低了电流消耗。

NRF24L01集成了所有与RF协议相关的高速信号处理部分,比如自动重发丢失数据包和自动产生应答信号。

NRF24L01的SPI接口可以使用单片机的硬件SPI接口或用单片机I/O口进行模拟,接收和发送缓冲FIFO便于与低成本单片机配合使用。

由于链路层完全集成在模块上,非常便于开发。

它具有自动重发功能,自动检测和重发丢失的数据包,重发时间及重发次数可软件控制自动存储未收到应答信号的数据包自动应答功。

在收到有效数据后,模块自动发送应答信号,无须另行编程载波检测一固定频率检测。

内置硬件CRC校验和点对多点通信地址控制数据包传输错误计数器及载波检测功能,可用于跳频设置可同时设置六路接收通道地址,可有选择性的打接收通道。

模块为标准插针2.54mm间距的接口,便于嵌入式应用。

根据引脚定义,在AltiumDesigner中设计2.4模块的接口电路如下:

2.4G模块接口电

3.4舵机驱动电路

舵机