一種基于A R M+F P G A的無人機地面測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

南京模擬技術(shù)研究所 辛海洋 彭 飛

一種基于A R M+F P G A的無人機地面測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

南京模擬技術(shù)研究所 辛海洋 彭 飛

本文基于ARM+FPGA的嵌入式架構(gòu)，實現(xiàn)單測控站對多目標(biāo)無人機的可靠控制。其中，ARM微處理器主要負責(zé)各無人機GPS/北斗數(shù)據(jù)的解算，通過解算得到的方位角、俯仰角、天線陣列單元編號信息，完成對無人機的跟蹤；FPGA作為協(xié)同處理器，一方面提供RS232/RS422/SPI數(shù)據(jù)接口和時序控制，另一方面完成無人機遙測、遙控數(shù)據(jù)的高速處理。整個系統(tǒng)采用TDMA（時分多址）的方式，通過對每個通信時隙的精確控制，實現(xiàn)單站遠距離多目標(biāo)無人機的可靠測控。本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)一站最多9架無人機的同時測控。

ARM；FPGA；無人機；TDMA

0 引言

測控系統(tǒng)作為無人機系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成對無人機的遙控、遙測、跟蹤定位，實現(xiàn)對機載任務(wù)載荷的遠距離操縱以及偵察信息的實時傳輸、監(jiān)視、記錄及分發(fā)。在多無人機協(xié)同作戰(zhàn)技術(shù)快速發(fā)展的今天，測控系統(tǒng)的工作方式也由一站一機，發(fā)展到一站多機。

1 設(shè)計原理

本文主要對一站多機的無人機測控地面測控系統(tǒng)實現(xiàn)進行介紹。該系統(tǒng)采用電掃描技術(shù)，對無人機具有TDMA(時分多址)+頻分+空分的精確控制功能（如圖1所示）。通過劃分時隙，在每個通信時隙內(nèi)，完成多組數(shù)據(jù)的交互。再通過ARM控制解算，完成對個無人機的精確跟蹤，實現(xiàn)遠距離多目標(biāo)無人機的可靠測控。

地面測控系統(tǒng)采用ARM+FPGA的嵌入式架構(gòu)。其中，ARM微處理器采用STM32 Cortex-M3芯片，F(xiàn)PGA采用Xilinx Spartan6系列芯片?？梢愿鶕?jù)不同型號的無人機，來配置各路串口數(shù)據(jù)的波特率，也可以在線對遙控、遙測通道進行配置切換。

此外，此地面控制部分具有GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)引跟蹤及自動搜索功能，能夠通過場強信息快速找到目標(biāo)無人機。具有故障診斷識別功能和自動重捕功能。本次設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)一站最多9架無人機的同時測控。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 ARM功能介紹

控制解算模塊是地面測控系統(tǒng)的核心。由ARM微處理器（STM32 Cortex-M3芯片）及其外圍電路組成。實現(xiàn)功能需要的片內(nèi)資源包括時鐘模塊、SPI接口模塊、GPIO模塊、外部中斷、定時/計數(shù)器等。其主要實現(xiàn)的功能包括正北標(biāo)定，與FPGA數(shù)據(jù)處理模塊進行數(shù)據(jù)交互、多無人機的實時跟蹤控制，與顯示按鍵模塊的輸入輸出響應(yīng)等。

圖1 時分通信機制

2.2 FPGA功能介紹

FPGA選取Xilinx Spartan6芯片（低功耗、低成本，同時具有多大150000個邏輯單元等，可以很好的滿足設(shè)計所需資源量及系統(tǒng)的工作性能），通過SPI總線接口與ARM互聯(lián)，配備有源晶振，同時選取12個引腳與12個串口互聯(lián)，控制端口中，預(yù)留1各接口，以便升級，功能框圖如圖2所示。

主要實現(xiàn)多路串口數(shù)據(jù)的收發(fā)及與ARM間的數(shù)據(jù)交互。FPGA內(nèi)部定時器負責(zé)計時，當(dāng)一個時隙到來，通知ARM進行高速天線開關(guān)的切換，ARM發(fā)出開關(guān)切換指令，同時把消息反饋給FPGA。FPGA延時幾十納秒后，收遙測指令并解析，再通過SPI總線輸出給ARM，通過串口輸出給指控設(shè)備；同步狀態(tài)下收遙控指令，解析后經(jīng)射頻組件和天線發(fā)送。

2.3 硬件設(shè)計

2．3．1 正北標(biāo)定

在無人機起飛前，利用瞄準(zhǔn)鏡/GPS組合方式進行正北標(biāo)定。首先根據(jù)選擇好的場地，確定測控地面站的站址點，用GPS/北斗定位，并記錄其經(jīng)緯度，作好標(biāo)記。站址點確定后，不能任意移動，否則需重新進行標(biāo)定過程。選取參照點，參照點與站址點應(yīng)大于800m，設(shè)立長桿標(biāo)志，移動長桿，確保其與瞄準(zhǔn)鏡的中垂線重合，用GPS/北斗定位，記錄其經(jīng)緯度。ARM微處理器根據(jù)兩點的GPS坐標(biāo)值，算出參照點到站址點的方位角，作為GPS/北斗跟蹤時無人機處在哪個天線單元覆蓋范圍內(nèi)的重要依據(jù)。

圖2 FPGA功能框圖

2．3．2 多無人機的實時跟蹤控制

無人機起飛后初捕模式下。近場階段，根據(jù)無人機的高度、距離切換到一低仰角的全向天線進行通信；遠場階段，自動在定向天線單元間依次切換進行搜索，確定每架無人機處于哪個定向天線單元覆蓋范圍之內(nèi)，記錄下對應(yīng)天線單元編號，之后轉(zhuǎn)入自動跟蹤模式。如有無人機未能確定所在方位，將此無人機所對應(yīng)天線編號統(tǒng)一設(shè)為某一定向天線單元，留待自動跟蹤模式下，再進行搜索。

3 結(jié)論

3.1 仿真結(jié)果

ARM通過SPI接口配置1號無人機，波特率為19200（代號：01），ModelSim仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 仿真結(jié)果圖

圖4 仿真結(jié)果圖

目前，通過串口調(diào)試工具，設(shè)立9臺飛控計算機與機載設(shè)備，同時與測控站互通，通信情況良好，誤碼率約10-6，且無丟包現(xiàn)象。

通過實際搭載飛行，實測情況下3架無人機同時在線時，通信情況良好。（由于條件所限，實際最大測試無人機數(shù)為3架。）

3.2 結(jié)論

通過理論模擬試驗與實際飛行測試，證實本文提出的一站多機的數(shù)據(jù)處理方法是可行的。并且在數(shù)據(jù)通信可靠性方面，也滿足通用測控站的要求。

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