小型無人機飛控系統(tǒng)軟件架構(gòu)與實現(xiàn)

1、小型無人機飛控系統(tǒng)軟件架構(gòu)與實現(xiàn)作者：常慶利來源：科技視界2014年第5期常慶利（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥230088）【摘 要】飛行控制系統(tǒng)是小型無人機（簡稱UAV）的核心系統(tǒng)之一，飛控系統(tǒng)軟件分為機 載軟件和地面軟件兩部分，機載和地面軟件配合使用，完成產(chǎn)生和傳輸控制指令，使飛機達到 給定的飛行狀態(tài)，按期望的軌跡飛行，并實現(xiàn)對干擾的抑制，應(yīng)急處理等一系列工作。本文從 軟件系統(tǒng)架構(gòu)層面介紹了一種小型無人機飛控軟件的具體設(shè)計，經(jīng)實際工程應(yīng)用，該軟件架構(gòu) 設(shè)計合理、模塊劃分恰當，具有較高的可靠性。【關(guān)鍵詞】小型無人機；飛控機載軟件；飛控地面軟件；軟件架構(gòu)Software Ar

2、chitecture and Implementation of Small UAV Flight Control SystemCHANG Qing-li（East China Research Institute of Electronics Engineering, Hefei Anhui 230088, China）Abstract The flight control system is one of the core of small unmanned aircraft system.As its importance role in supporting the flight co

3、ntrol software is self-evident.The flight control software consist of two parts,airborne software and the ground. software. Airborne software and the ground complete production and the transfer control instruction,to specify the aircraft flight status, according to the desired trajectory of flying,

4、and realize the interference suppression, emergency treatment and so on a series of work. This paper introduced the architecture of the software for a small UAV flight control system.Key words Small unmanned aircraft; Automatic airborne software; Ground software; Software architecture0引言無人機（簡稱UAV）是一

5、種體積小、重量輕、安全性好、成本低廉、可攜帶多種任務(wù)設(shè)備、 執(zhí)行多種任務(wù)，、并能重復(fù)使用的無人駕駛航空器1-2信息化技術(shù)不斷進步，無人機在現(xiàn)代電 子戰(zhàn)中獲得了迅猛發(fā)展。飛行控制系統(tǒng)軟件做為無人機的核心軟件，對無人機系統(tǒng)至關(guān)重要。在 頂層軟件設(shè)計時，采用先進合理的軟件架構(gòu)，對飛控軟件完成系統(tǒng)功能、提高系統(tǒng)性能，降低 錯誤出現(xiàn)概率、提高軟件可靠性和安全性有很大益處。1軟件需求分析在設(shè)計軟件之前，需要針對系統(tǒng)的軟件部分調(diào)查、分析用戶和利益相關(guān)方的需要，在飛控 系統(tǒng)內(nèi)，需要通過機載軟件實時完成對無人機的控制和命令響應(yīng)，在地面軟件進行人機操作和 狀態(tài)顯示，具體需求分析如下。1）需要具有機載軟件；2）需要

6、具有地面軟件；3）機載軟件需要是實時操作系統(tǒng)，快速完成控制和命令響應(yīng)；4）機載軟件具有基本通信功能，可和測控電臺進行通信、并可讀寫端口信息；5）機載軟件具有自主飛行控制功能；6）機載軟件具有傳感器管理功能；7）機載軟件具有執(zhí)行機構(gòu)輸出能；8）機載軟件具有應(yīng)急處理功能；9）地面軟件具有地圖顯示及飛行狀態(tài)顯示功能；10）地面軟件具有飛行計劃擬訂、保存、上傳功能；11）地面軟件具有飛行控制功能；12）地面軟件具有傳感器設(shè)置和顯示功能；13）地面軟件具有遙測數(shù)據(jù)顯示功能；14）地面軟件具有飛前檢查功能；15）地面軟件具有日志記錄和重演功能，并根據(jù)不同權(quán)限可以提供日志記錄、查詢、修改、 刪除、報表查看功

7、能；16）地面軟件界面簡潔、直觀、友好，便于用戶操作。2軟件系統(tǒng)組成2.1軟件CSCI （計算機軟件配置項）劃分飛控軟件由機載軟件和地面軟件兩個CSCI組成，其軟件體系結(jié)構(gòu)圖如圖1。1）機載軟件機載軟件融于飛行控制計算機硬件平臺中，通過飛控計算機硬件模塊與無人機外圍設(shè)備、 機載傳感器以及執(zhí)行機構(gòu)連接，采集無人機的外圍設(shè)備的狀態(tài)信息和機載傳感器輸入信息，按 照設(shè)計的飛行控制方案，實時解算出對外圍設(shè)備和執(zhí)行機構(gòu)的控制量，并通過硬件接口模塊對 外為設(shè)備和執(zhí)行機構(gòu)輸出控制。2）地面軟件地面顯控軟件運行在WINDOW XP下，是自駕儀和用戶之間的人機接口，主要實現(xiàn)的功能有: 無人機地面飛行任務(wù)的設(shè)定；無

8、人機地面鏈路狀態(tài)和傳感器設(shè)備工作狀態(tài)的確認；無人機執(zhí)行 機構(gòu)方向設(shè)置舵機校準參數(shù)表、進行舵機測試、脈沖激勵響應(yīng)試驗；設(shè)置IMU傳感器的安裝方 位歐拉角、GPS天線到IMU的位置參數(shù)、磁傳感器校準及大氣傳感器的初始誤差；設(shè)置遙測接 收頻率；設(shè)置高度極限，GPS、數(shù)據(jù)鏈及手動指令的超時設(shè)置，設(shè)置應(yīng)急航路點及應(yīng)急處理程序 及動作等功能。3軟件模塊劃分3.1機載軟件模塊劃分機載軟件采用VxWorks實時操作系統(tǒng)，主要劃分為六個功能模塊。1）自主飛行無人機爬升到一定高度，進入自主導(dǎo)航飛行。自主導(dǎo)航飛行是指由控制系統(tǒng)自動控制無人 機按照規(guī)定的航向飛行。航線由多個航點構(gòu)成，飛行控制計算機根據(jù)傳感器采集到當前

9、的飛行 高度、經(jīng)緯度、航向等信息，計算出無人機預(yù)定的航線和實際的位置以及預(yù)定航向和實際航向 的偏差，協(xié)調(diào)控制升降舵、方向舵和副翼舵，完成無人機按照預(yù)定航線飛行的任務(wù)。D !. Ur瑚訊瞄出-1 1S2）遙自切換管理當無人機接收到接收機傳送的自主遙控切換指令時，無人機進入目測遙控飛行模式。在該 模式下，飛機操控手可根據(jù)目測的無人機飛行姿態(tài)和高度，操控舵面，完成飛機遙控飛行任務(wù)。 當飛控計算機接收到地面站發(fā)出的自主遙控切換指令時，無人機進入地面站遙控飛行模式。當 目測遙控和地面站遙控同時請求遙控權(quán)操作飛機飛行時，優(yōu)先處理目測遙控飛行請求。3）應(yīng)急處理飛行控制計算機對全系統(tǒng)中設(shè)備和飛行狀態(tài)進行監(jiān)測，

10、根據(jù)地面制訂的應(yīng)急處理措施，對 其中的典型故障進行自動優(yōu)選處理。對出現(xiàn)故障及時提示地面控制人員，地面人員可根據(jù)實際 情況優(yōu)先決策和應(yīng)急處理4）執(zhí)行機構(gòu)輸出執(zhí)行機構(gòu)的控制指令輸出是完成無人機執(zhí)行機構(gòu)的輸出，執(zhí)行機構(gòu)輸出包括：升降舵、方 向舵、副翼舵、襟翼舵、油門、點火盒和前輪舵。5）傳感器管理飛行控制系統(tǒng)的傳感器主要包括：（1）高度空速傳感器；（2）慣導(dǎo)組合導(dǎo)航設(shè)備。機載 軟件中的傳感器數(shù)據(jù)綜合處理模塊，完成傳感器采集到的高度和速度信息到飛控計算機的通信， 并進行比較選擇輸入。當在GPS故障模式下，選用高度空速傳感器作為控制系統(tǒng)的高度輸入。6）鏈路數(shù)據(jù)管理按照約定的通信協(xié)議控系統(tǒng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信

11、息3并將無人機各狀態(tài)信息打包，完成無人 機狀態(tài)數(shù)據(jù)的下傳。3.2地面軟件模塊劃分地面軟件運行在WINDOW XP下，主要劃分為九個功能模塊。、i.閣3地面第揮站軟件始柄圍1）飛前檢查飛行前檢查模塊的主要功能是在無人機飛行前對飛機狀態(tài)的檢查，主要包括舵機控制面的 測試、電池電壓和電流的檢查、飛行任務(wù)計劃的檢查、應(yīng)急任務(wù)的檢查、無人機傳感器組狀態(tài) 的檢查和一些其它檢查及系統(tǒng)初始數(shù)據(jù)設(shè)置界面，舵面檢測、留空時間設(shè)置等。2）地圖顯示地圖顯示的主要功能是顯示地圖，并提供對地圖的放大、縮小、漫游、測距操作，顯示當 前鼠標位置的地理坐標，顯示當前飛機位置及航線。3）航線管理插入航路點、編輯航路點、刪除航路點

12、。新建飛行計劃、保存飛行計劃、查看飛行計劃、 修改飛行計劃、刪除飛行計劃、讀取飛行計劃、發(fā)送飛行計劃。遙控飛行在地面站進行遙控飛機飛行狀態(tài)，包括爬升，平飛，下滑，向左，向右，直飛狀態(tài)。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊主要由以下5個模塊組成：通信模式設(shè)置模塊、控制律設(shè)置模塊、舵面 設(shè)置模塊、傳感器設(shè)置模塊和應(yīng)急處理設(shè)置模塊。系統(tǒng)參數(shù)顯示顯示時間、供電、板內(nèi)溫度、記錄儀狀態(tài)、參數(shù)鎖定、數(shù)據(jù)鏈、系統(tǒng)版本信息。遙測狀態(tài)顯示顯示傳感器狀態(tài)數(shù)據(jù)，實時顯示傳感器采集的無人機飛行數(shù)據(jù)4，主要包括溫度、靜壓、 動壓、三軸陀螺角速度、三軸加速度、角偏差、加速度偏差、磁傳感器。顯示實時飛行參數(shù)， GPS數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、大氣數(shù)據(jù)、風(fēng)速、AD采集、燃油、高度、導(dǎo)航、導(dǎo)航濾波、磁航向。飛行狀態(tài)圖形顯示圖形方式顯示當前飛機的狀態(tài)。記錄重演按照定義格式記錄當前命令控制、系統(tǒng)狀態(tài)、遙測數(shù)據(jù)、飛行姿態(tài)信息到文件，存儲到本 地硬盤，并可以在本地離線重演。4小結(jié)本文從軟件副總設(shè)計師角度介紹了小型無人機飛控軟件需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)、模塊劃分， 界面。工程應(yīng)用實踐證明，該軟件功能齊全、模塊劃分合理，可靠性高，取得了很好的效果。【參考文獻】1王泉，張學(xué)宏,周敏剛，黃暉.無人機飛控