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1 前言 自主飛行無人直升機的研究是現(xiàn)今多學(xué)科交叉研究的熱點與難點。無人直升機在炮兵射擊訓(xùn)練、戰(zhàn)場監(jiān)視、輸電線路巡視，森林火災(zāi)狀況觀測等軍用與民用方面都有著廣泛的作用。自從1917年英國研制出世界上第一架無人機，無人機已經(jīng)經(jīng)歷了無人靶機、預(yù)編程序控制無人偵察機、指令遙控?zé)o人偵察機、復(fù)合控制和自主飛行多用途無人機的發(fā)展過程，現(xiàn)今無人直升機研究在于自主飛行控制。現(xiàn)今無人直升機任務(wù)多樣化和遠(yuǎn)距離作業(yè)需求，對無人直升機遠(yuǎn)距離通信和控制提出了更高要求。 在無人直升機控制系統(tǒng)設(shè)計中采用實時操作系統(tǒng)是現(xiàn)今研究的重點與熱點。VxWorks是專門為實時嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的32位操作系統(tǒng)，它高性能內(nèi)核和友好用戶開發(fā)界面使得VxWorks成為目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域使用最廣泛、市場占有率最高的系統(tǒng)。把VxWorks操作系統(tǒng)應(yīng)用到機載控制計算機中，可以滿足無人直升機信息處理的實時性要求。機載控制計算機需要控制無人直升機上多個設(shè)備，同時還需要與地面基站系統(tǒng)通信，VxWorks操作系統(tǒng)良好的多任務(wù)調(diào)度功能可以滿足多任務(wù)需求。同時VxWorks操作系統(tǒng)具備體積小、可裁減和支持多種CPU的高性能，使得無人直升機控制系統(tǒng)在硬件選取上具備很高的靈活性。 VxWorks操作系統(tǒng)提供了多網(wǎng)口的源代碼驅(qū)動，支持TCP與UDP協(xié)議、遠(yuǎn)程調(diào)用、遠(yuǎn)程文件訪問、文件輸出、遠(yuǎn)程命令執(zhí)行等強大網(wǎng)絡(luò)通信功能，同時它的開發(fā)工具Tornado界面友好，調(diào)試方便。這些特點縮短了控制系統(tǒng)的開發(fā)周期，達到了預(yù)期的效果。 2 系統(tǒng)設(shè)計 2.1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 無人直升機控制系統(tǒng)包括以下七個部分：無人直升機、機載控制計算機、機載平衡模塊、機載導(dǎo)航模塊、手動遙控模塊、地面基站與其他機載模塊，其他機載模塊根據(jù)系統(tǒng)擴展的需要進行添加。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖見圖一 圖一 無人直升機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 通過手動遙控使無人直升機起飛，起飛后遙控器觸動多路選擇器，把無人直升機的控制權(quán)交與機載控制計算機。機載控制計算機開始傳輸飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)給地面基站。地面基站發(fā)送自主飛行命令給機載控制計算機使得它啟動自主定點飛行任務(wù)，控制無人直升機定點飛行，飛行任務(wù)結(jié)束后返回狀態(tài)信息給地面基站。 2.2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 此無人直升機控制系統(tǒng)的控制對象是模型直升機JRVoyager GS R260, 機載導(dǎo)航模塊包括Crescent的GPS與Honeywell HMR3300型號的電子羅盤。機載控制計算機是由三星公司生產(chǎn)的16/32位RISC處理器S3C44B0X搭建的硬件平臺，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖見圖二。 圖二 無人直升機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 圖二中由于S3C44B0X的UART單元提供了兩個獨立的異步串行I/O端口，每個端口都可以在DMA模式下工作，使得CPU和串行I/O口之間直接進行數(shù)據(jù)傳輸，另外GPS與電子羅盤提供的是標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，這與S3C44B0X系統(tǒng)所定義的高低電平不同，所以需要通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232C來進行轉(zhuǎn)換。由于S3C44B0X片內(nèi)不帶以太網(wǎng)接口，所以選用RTL8039作為以太網(wǎng)接口芯片與地面基站控制系統(tǒng)進行通信。S3C44B0X根據(jù)內(nèi)部程序輸出5路PWM波控制無人直升機的5個舵機，完成自主定點飛行任務(wù)。 74LS128芯片作為多路選擇器，切換手動遙控模式與自主定點飛行模式。另外還擴展大容量的外部寄存器，其中8MB的HY57V641620作為SDRAM存儲器存儲程序運行中的中間數(shù)據(jù)，2MB的SST39VF1601存儲器作為FLASH存儲源程序。 2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 無人直升機控制系統(tǒng)的軟件包含四大部分:一是根據(jù)S3C44B0X重新配置VxWorks系統(tǒng)的BSP。二是基于優(yōu)先級的消息隊列實現(xiàn)，消息隊列中包含飛行狀態(tài)信息與自主定點飛行信息。三是基于看門狗與信號量的多任務(wù)調(diào)度，實現(xiàn)自主定點飛行與實時飛行狀態(tài)信息傳輸?shù)墓δ堋Ｋ氖腔究刂栖浖脑O(shè)計。系統(tǒng)上電后初始化socket套接字，網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通后采用UDP協(xié)議通信。下面將著重介紹基于優(yōu)先級的消息隊列與基于信號量與看門狗的多任務(wù)調(diào)度。 2.3.1 基于優(yōu)先級的消息隊列 在控制系統(tǒng)中，不能因為執(zhí)行機載設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸命令而拒絕執(zhí)行地面基站的自主飛行命令。為解決這一問題，本控制系統(tǒng)建立了基于優(yōu)先級的消息隊列機制。系統(tǒng)在RAM中開辟一個區(qū)域用于建立消息隊列，隊列中指針指向的是各個信息的內(nèi)存塊地址。各個任務(wù)將根據(jù)這些指針指向的數(shù)據(jù)來進行實際操作。 （1）基于優(yōu)先級的消息隊列方法。首先信息接收任務(wù)接收信息后根據(jù)信息頭地址內(nèi)容判斷信息優(yōu)先級，地面基站的自主飛行命令優(yōu)先級為最高，把它插入到消息隊列的隊列頭，而機載電子羅盤與GPS發(fā)送的數(shù)據(jù)信息優(yōu)先級低，按照時間順序排列在消息隊列的隊列尾。信息解釋任務(wù)從消息隊列頭逐一取出信息然后進行處理。 （2）消息隊列的實現(xiàn)。通過單向鏈表來實現(xiàn)消息隊列的添加與刪除。每個鏈表元素是一個結(jié)構(gòu)體struct messageChain，結(jié)構(gòu)體包含頭指針pBuff與指向下一個元素的指針pNext。同時使用兩個全局變量直接表示鏈表頭與鏈表尾，一個全局變量表示鏈表長度，這樣可以直接處理鏈表頭或者鏈表尾的內(nèi)容以簡化查找過程。 2.3.2 基于看門狗的多任務(wù)調(diào)度 VxWorks系統(tǒng)可以為每個任務(wù)設(shè)定特定的任務(wù)名與任務(wù)優(yōu)先級，系統(tǒng)支持256個優(yōu)先級。為了調(diào)試的方便，在本控制系統(tǒng)中設(shè)定的任務(wù)優(yōu)先級在60到100之間，這是因為由程序發(fā)起的任務(wù)優(yōu)先級要高于Tornado開發(fā)環(huán)境中shell發(fā)起sp的任務(wù)優(yōu)先級即小于100，同時也要低于系統(tǒng)任務(wù)的優(yōu)先級即大于60。控制系統(tǒng)包含了信息接收任務(wù)，信息解釋任務(wù)，信息發(fā)送任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測任務(wù)，定時輪詢?nèi)蝿?wù)，自主飛行任務(wù)等多任務(wù)。流程圖見圖三。 圖三 任務(wù)調(diào)度流程圖 任務(wù)的操作使用的是VxWorks系統(tǒng)中的taskLib()與taskInfo()庫函數(shù)。看門狗時鐘精確定時用到函數(shù)wdCreate(),wdStart()等,任務(wù)間的同步調(diào)度使用的是信號量，包括有二進制信號量與計數(shù)信號量。信息接收任務(wù)把網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔凑崭叩蛢?yōu)先級在消息隊列中添加元素，并存放信息到特定的內(nèi)存塊中，然后啟動計數(shù)型的信號量，信號量的值對應(yīng)于當(dāng)前消息隊列中還沒有被執(zhí)行命令的個數(shù)，每增加一個消息命令后，計數(shù)型信號量就釋放，消息解釋任務(wù)獲得釋放的信號量后從消息隊列頭獲得最應(yīng)被優(yōu)先執(zhí)行的命令，根據(jù)內(nèi)存中的首地址信息，調(diào)用相應(yīng)的執(zhí)行函數(shù)。如果判斷是無人直升機飛行狀態(tài)信息，調(diào)用信息發(fā)送任務(wù)把實時信息傳送給地面基站。如判斷是無人直升機自主飛行命令，則調(diào)用自主飛行任務(wù),在此任務(wù)中要定時查詢無人直升機飛行狀態(tài)信息并與命令中信息做比較，控制舵機動作以完成自主定點飛行任務(wù)。在定時查詢機載設(shè)備信息以確定飛行狀態(tài)時，用taskDelay()函數(shù)不能滿足精確定時的要求。VxWorks系統(tǒng)提供得看門狗它可以保證嚴(yán)格的定時，在調(diào)用自主飛行任務(wù)時創(chuàng)建看門狗。經(jīng)過1s的時間延時后運行查詢無人直升機飛行狀態(tài)信息的函數(shù),比較信息后控制舵機動作，直到完成無人直升機的自主定點飛行任務(wù)后取消看門狗。切換到信息發(fā)送任務(wù)，發(fā)送飛行狀態(tài)信息到地面基站監(jiān)控系統(tǒng)。 2.3.3 地面基站控制效果圖 軟件界面可以直觀的顯示控制系統(tǒng)效果，同時便于調(diào)試與觀察直升機的實際飛行狀況。基站控制軟件應(yīng)用VC＋＋編譯器的套節(jié)字socket與基于信號量的多線程技術(shù)通過C++語言進行編譯。控制效果圖中顯示無人直升機自主定點飛行時的實時狀態(tài)信息：當(dāng)前高度、設(shè)定高度、東西距離、南北距離、方位角、俯仰角、測滾角等。實現(xiàn)了良好的人機交互功能，是控制系統(tǒng)開發(fā)的必備平臺。地面基站控制效果圖見圖四 圖四 地面基站控制效果圖 3 結(jié)束語 本文對無人直升機控制系統(tǒng)從硬件與軟件兩個方面進行了闡述，并應(yīng)用了先進與高性能的實時操作系統(tǒng)VxWorks，通過VxWorks多任務(wù)調(diào)度時的快速切換響應(yīng)實現(xiàn)無人直升機的自主飛行。并且通過實際的多次實驗飛行與調(diào)試，實現(xiàn)了無人模型直升機自主飛行的任務(wù)，取得了預(yù)期的效果。 |
