本发明专利技术涉及一种基于ARM和FPGA架构的固定翼无人机的自动驾驶仪，属于嵌入式控制、无人机技术领域。本发明专利技术采用双处理器结构，主处理器负责控制计算，协处理器负责信号采集和输出，将协处理器设计作为主处理器的外设，主处理器可以按操作自身存储空间的方式对协处理器进行操作，减少了两个处理器之间因为交换数据而产生的额外工作量，分工明确，系统响应速度快；并采用顶层模块加若干底层模块的设计思想，层次分明，并且在A/D模块的读取中采取状态机的方法进行，工作效率更高。
【技术实现步骤摘要】
基于ARM和FPGA架构的固定翼无人机自动驾驶仪
本专利技术涉及一种基于ARM和FPGA架构的固定翼无人机的自动驾驶仪，属于嵌入式控制、无人机
技术介绍
自动驾驶仪是按技术要求自动控制飞行器轨迹的调节设备，对于无人飞机，它可以与其他导航设备配合完成规定的飞行任务。自动驾驶仪在现代飞行器上，特别是在微型飞行器或微型无人机上逐渐获得广泛应用。现有的无人机自动驾驶仪一般是由一个微处理器作为CPU来对输入的各种信息进行处理，同时将处理结果输出到各外设接口，驱动外设工作，实现无人机自动驾驶。这些自驾仪采用的处理器一般是单片机，ARM或者DSP。这些自驾仪设计方案的缺点和不足之处在于使用单一处理器，对于信息的处理能力受到了限制，由于无人机的带载能力有限，多数自驾仪只采用了单处理器，这就导致了，单CPU既要采集处理各种传感器数据，还要对无人机的外设进行输出以进行稳定和导航的控制，单处理器要进行满负荷工作甚至超负荷工作，影响了系统的响应速度。现有技术中也出现了一些用双处理器作为自驾仪处理器的例子，这样两个处理器之间的通讯就必须增加一个双口RAM来进行协调工作。由于双口RAM的操作本身就比较复杂，这样就使得自驾仪系统从软件和硬件上的逻辑结构都变得更加复杂，额外增加了处理器开销，系统的调试也变得困难。现在的很多自驾仪采用成品的姿态获取器件，使自驾仪包含多个分离器件，体积较大，系统集成度不高，而且这些自驾仪控制软件中并未加入姿态解算算法，这就导致自驾仪不能对多传感器数据根据不同的环境情况进行融合优化，限制了自驾仪的适应性。
技术实现思路
为了解决以上现有技术中的不足，本专利技术提出了一种基于ARM和FPGA架构的高度集成化的双处理器自驾仪。本专利技术采用模块化的设计思路，整个系统包括处理器模块，FLASH模块，SDRAM模块，FPGA配置模块，传感器模块，A/D转换模块，舵机控制信号输出模块，遥控接收机模块，数传电台模块，GPS接收机模块，串口可扩展模块，复位电路模块，系统供电模块。其中，处理器模块基于ARM和FPGA架构，包括主处理器ARM与协处理器FPGA；传感器模块包括三轴角速率陀螺、三轴加速度计、动压传感器、静压传感器。主处理器在系统中负责与无线电台的数据通信、无人机的控制计算、无人机的导航算法计算及与GPS接收机数据交换，包括串口通信模块、控制导航模块、解姿态解算模块、遥控量接收模块、传感器读取模块和控制量输出模块；串口通信模块和传感器读取模块的输出都分别连接至控制导航模块和姿态解算模块，姿态解算模块的输出与控制导航模块相连，控制导航模块和遥控量接收模块的输出分别与控制量输出模块相连。自驾仪有手动控制和自动控制两种工作模式，通过判断接收机指定通道的值，以实现自驾仪在两种模式间的自由切换。在手动控制模式时，遥控量接收模块从FPGA获取接收机的控制量后，直接给到控制量输出模块，由控制量输出模块把PWM舵机控制信号输出到FPGA；在自动控制模式时，串口通信模块通过串口通信协议从串口读取数传电台和GPS接收机的数据，同时传感器读取模块也从FPGA获取传感器数据，姿态解算模块综合GPS数据和惯性传感器数据计算出无人机的姿态角，最终数据汇总到控制导航模块，计算出舵机的控制量，并由控制量输出模块输出给FPGA。本专利技术的串口可扩展模块提供可扩展的通信串口，以便于增加外设。本专利技术将协处理器作为主处理器的外设，主处理器按操作自身存储空间的方式对协处理器进行操作。主处理器和协处理器通过数据线和地址线连接，数据线设计为8根，数据以字节的形式传送，地址线数量可以根据外设数量和主处理器的地址空间选择。在设计中，与协处理器连接的每一个传感器都被分配一个独立固定的地址空间，主处理器通过地址线直接对特定地址进行读写，实现对该地址相对应的传感器进行操作，传感器读取的数据直接通过数据线传递到主处理器，实现了双处理器之间的数据交换。协处理器在系统中完成外围传感器信号的采集、遥控量的输入采集、飞控电压和动力电压的采集、舵机控制量的输出，包括顶层模块、A/D读取模块、毛刺去除模块、接收机读取模块、气压传感器读取模块和PWM信号输出模块。顶层模块分别与A/D读取模块、接收机读取模块、气压传感器读取模块和PWM信号输出模块相连接，毛刺去除模块与接收机读取模块连接。顶层模块负责与主处理器进行数据交换，通过识别主处理器地址线上发过来的地址，判断主处理器对哪个外设进行操作，然后对A/D读取模块、接收机读取模块、气压传感器读取模块或PWM信号输出模块进行相应的操作，并将获得的数据传回给主处理器。A/D转换模块通过模拟的SPI接口与A/D转换器相连，它的时序和数据读取采用状态机的方式编写，即通过设置不同的状态机及不同状态机之间的跳换，实现对SPI时序的控制，进而实现数据输入和输出的控制，由于FPGA的always语句之间是并行执行的，因此这种状态机的跳换效率更高，可实现对多个通道A/D输出量单独的进行读取；接收机读取模块采集手控接收机的PWM信号，毛刺去除模块直接与遥控接收机的各个输入通道相连，对接收机的输入信号进行去噪处理，避免噪声信号对自驾仪的干扰；气压传感器模块直接与动压、静压传感器通过模拟的SPI接口相连，SPI的时序是由主处理器控制；PWM信号输出模块直接与舵机控制输出模块相连，接收从顶层模块传过来的PWM信号，经过处理之后输出到舵机控制输出模块。FLASH模块用来存储ARM的控制程序，它通过标准的SPI接口与ARM通信。SDRAM模块是对ARM内部RAM的扩展，是ARM控制程序的运行空间，通过并行接口与ARM进行数据交换。FPGA配置模块用来在上电时对FPGA进行配置并存储FPGA的配置信息，它与FPGA的连接遵从ALTERA公司的配置接口协议。传感器模块包括三轴角速率陀螺、三轴加速度计、动压传感器、静压传感器。三轴角速率陀螺用来测量机体坐标系下无人机的三轴角速率，三轴加速度计用来测量无人机的三轴加速度，角速率陀螺和加速度计为模拟量传感器，它们的输出与A/D转换模块相连；动压传感器用来测量无人机飞行中的动压，静压传感器用来测量无人机的静压，二者为数字传感器，通过模拟的SPI接口与协处理器FPGA连接。A/D转换模块完成三轴角速率陀螺、三轴加速度计及系统输入的飞控电压的模数转换，它通过模拟的SPI接口与FPGA连接。舵机控制输出模块直接与FPGA连接，对FPGA输出的舵机控制PWM信号进行放大，并输出到无人机的各个舵机上。遥控接收机模块用来接收外围的RC接收机的PWM控制信号，它直接与FPGA相连。数传电台模块通过串口通信协议与主处理器相连，它完成自驾仪与地面站之间的数据交换。GPS接收机模块也是通过串口通信协议与主处理器连接，它实时接收GPS信息并传送给自驾仪。串口扩展模块用来对自驾仪的备用扩展，以增强自驾仪的通用性。复位电路模块用来对系统中的ARM和FPGA进行复位。系统供电模块对外围的直流供电电压进行分类转换。系统各组成的连接关系为：数传电台模块、GPS接收机模块和串口扩展模块分别连接至主处理器的串口通信模块；主处理器的遥控量接收模块、传感器读取模块和控制量输出模块分别与协处理器的顶层模块相连；FLASH模块、SDRAM模块分别与主处理器扩展接口本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于ARM和FPGA架构的固定翼无人机自动驾驶仪，其特征在于：包括处理器模块，FLASH模块，SDRAM模块，FPGA配置模块，传感器模块，A/D转换模块，舵机控制信号输出模块，遥控接收机模块，数传电台模块，GPS接收机模块，串口可扩展模块，复位电路模块，系统供电模块；其中，处理器模块基于ARM和FPGA架构，包括主处理器ARM与协处理器FPGA；传感器模块包括三轴角速率陀螺、三轴加速度计、动压传感器、静压传感器；主处理器包括串口通信模块、控制导航模块、解姿态解算模块、遥控量接收模块、传感器读取模块和控制量输出模块；串口通信模块和传感器读取模块的输出分别连接至控制导航模块和姿态解算模块，姿态解算模块的输出与控制导航模块相连，控制导航模块和遥控量接收模块的输出分别与控制量输出模块相连；协处理器作为主处理器的外设，主处理器按操作自身存储空间的方式对协处理器进行操作；主处理器和协处理器通过数据线和地址线连接，数据线设计为8根，数据以字节的形式传送；与协处理器连接的每一个传感器分配一个独立固定的地址空间，主处理器通过地址线直接对特定地址进行读写，实现对该地址相对应的传感器进行操作，传感器读取的数据直接通过数据线传递到主处理器，实现了双处理器之间的数据交换；协处理器包括顶层模块、A/D读取模块、毛刺去除模块、接收机读取模块、气压传感器读取模块和PWM信号输出模块；顶层模块分别与A/D读取模块、接收机读取模块、气压传感器读取模块和PWM信号输出模块相连接，毛刺去除模块与接收机读取模块连接；顶层模块与主处理器进行数据交换，通过识别主处理器地址线上发过来的地址，判断操作指令并对A/D读取模块、接收机读取模块、气压传感器读取模块或PWM信号输出模块进行相应的操作，将获得的数据传回给主处理器；A/D读取模块通过模拟SPI接口与A/D转换器相连，实现数据输入和输出的控制；接收机读取模块采集手控接收机的PWM信号，毛刺去除模块与遥控接收机的各个输入通道相连，对接收机的输入信号进行去噪处理，避免噪声信号对自驾仪的干扰；气压传感器模块与动压、静压传感器通过模拟的SPI接口相连；PWM信号输出模块与舵机控制输出模块相连，接收从顶层模块传过来的PWM信号，经过处理之后输出到舵机控制输出模块；传感器模块包括三轴角速率陀螺、三轴加速度计、动压传感器、静压传感器；各部分输出与A/D转换模块相连；动压传感器用来测量无人机飞行中的动压，静压传感器用来测量无人机的静压，二者为数字传感器，通过模拟的SPI接口与协处理器FPGA连接；A/D转换模块完成三轴角速率陀螺、三轴加速度计及系统输入的飞控电压的模数转换，通过模拟SPI接口与FPGA连接；舵机控制输出模块与FPGA连接，对FPGA输出的舵机控制PWM信号进行放大，并输出到无人机的各个舵机上；遥控接收机模块接收外围的RC接收机的PWM控制信号，与FPGA相连；数传电台模块通过串口通信协议与主处理器相连，完成自驾仪与地面站之间的数据交换；GPS接收机模块通过串口通信协议与主处理器连接，实时接收GPS信息并传送给自驾仪；系统供电模块对外围的直流供电电压进行分类转换；系统各组成的连接关系为：数传电台模块、GPS接收机模块和串口扩展模块分别连接至主处理器的串口通信模块；主处理器的遥控量接收模块、传感器读取模块和控制量输出模块分别与协处理器的顶层模块相连；FLASH模块、SDRAM模块分别与主处理器扩展接口相连；FPGA配置模块与协处理器的配置接口相连；复位电路模块分别连接到ARM和FPGA的复位引脚；系统供电模块分别为ARM、FPGA、A/D转换模块提供合适的工作电压。...
【技术特征摘要】
1.基于ARM和FPGA架构的固定翼无人机自动驾驶仪，其特征在于：包括处理器模块，FLASH模块，SDRAM模块，FPGA配置模块，传感器模块，A/D转换模块，舵机控制信号输出模块，遥控接收机模块，数传电台模块，GPS接收机模块，串口可扩展模块，复位电路模块，系统供电模块；其中，处理器模块基于ARM和FPGA架构，包括主处理器ARM与协处理器FPGA；传感器模块包括三轴角速率陀螺、三轴加速度计、动压传感器、静压传感器；主处理器包括串口通信模块、控制导航模块、解姿态解算模块、遥控量接收模块、传感器读取模块和控制量输出模块；串口通信模块和传感器读取模块的输出分别连接至控制导航模块和姿态解算模块，姿态解算模块的输出与控制导航模块相连，控制导航模块和遥控量接收模块的输出分别与控制量输出模块相连；协处理器作为主处理器的外设，主处理器按操作自身存储空间的方式对协处理器进行操作；主处理器和协处理器通过数据线和地址线连接，数据线设计为8根，数据以字节的形式传送；与协处理器连接的每一个传感器分配一个独立固定的地址空间，主处理器通过地址线直接对特定地址进行读写，实现对该地址相对应的传感器进行操作，传感器读取的数据直接通过数据线传递到主处理器，实现了双处理器之间的数据交换；协处理器包括顶层模块、A/D读取模块、毛刺去除模块、接收机读取模块、气压传感器读取模块和PWM信号输出模块；顶层模块分别与A/D读取模块、接收机读取模块、气压传感器读取模块和PWM信号输出模块相连接，毛刺去除模块与接收机读取模块连接；顶层模块与主处理器进行数据交换，通过识别主处理器地址线上发过来的地址，判断操作指令并对A/D读取模块、接收机读取模块、气压传感器读取模块或PWM信号输出模块进行相应的操作，将获得的数据传回给主处理器；A/D读取模块通过模拟SPI接口与A/D转换器相连，实现数据输入和输出的控制；接收机读取模块采集手控接收机的PWM信号，毛刺去除模块与遥控接收机的各个输入通道相连，对接收机的输入信号进行去噪处理，避免噪声信号对自驾仪的干扰；气压传感器模块与动压、静压传感器通过模拟的SPI接口相连；PWM信号输出模块与舵机控制输出模块相连，接收从顶层模块传过来的PWM信号，经过处理之后输出到舵机控制输出模块；传感器模块包括三轴角速率陀螺、三轴加速度计、动压传感器、静压传感器；各部分输出与A/D转换模块相连；动压传感器用来测量无人机飞行中的动压，静压传感器用来测量无人机的静压，二者为数字传感器，通过模拟的SPI接口与协处理器FPGA连接；A/D转换模块完成三轴角速率陀螺、三轴加速度计及系统输入的飞控电压的模...
【专利技术属性】
技术研发人员：李保文，
申请(专利权)人：李保文，
类型：发明
国别省市：陕西,61
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