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无人机余度飞行控制计算机关键技术研究

作　者: 王丽丽
导　师: 陈欣
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 余度飞行控制计算机分布式结构交叉链路 CAN总线余度管理软件
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 116次
引　用: 10次
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内容摘要

飞行控制计算机的高可靠性是无人机安全飞行的保证,为了提高飞行控制计算机的可靠性,通常采用余度的方法设计飞行控制计算机。论文主要从硬件和软件结构两个方面开展了无人机余度飞行控制计算机的关键技术的研究。研究主要内容包括余度飞行控制计算机的总体结构建立,交叉链路设计,适用于余度结构的单通道飞行控制计算机硬件选择,样例飞行控制软件移植,余度管理算法和余度管理软件设计与上层应用软件的信息交互接口等关键技术。论文首先介绍了余度飞行控制技术现状与发展概况,对多种余度飞行控制计算机逻辑结构进行分析对比和可靠性研究,确定课题研究的总体结构。以飞行控制研究所设计的样例分布式飞行控制计算机为基础建立余度飞行控制计算机的物理模型,设计并划分了体系结构。其次,根据余度飞行控制计算机信息交互需求和可靠性要求进行了交叉链路研究,以CAN总线为基础研究余度飞行控制计算机的数据交叉链路,设计出数据交叉链路CAN总线高层通信协议。通过通讯实验,验证交叉链路CAN总线高层通信协议满足可靠性和实时性要求。然后,对实验室现有的样例分布式计算机和样例飞行控制软件进行研究,设计了软件移植方案、内部CAN总线和双口RAM的通信协议。通过通讯实验和半物理仿真实验,表明所实现的分布式飞行控制计算机,内部通讯协议完全满足飞行控制计算机的实时性要求,功能与性能满足工程应用要求。再次,针对余度配置的无人机飞行控制计算机体系结构,提出了一种余度管理方案。详细设计了同步、封装、表决、成员关系和故障记录等算法。最后,对余度管理软件和上层应用软件间交换的命令和数据进行研究,设计两者之间的接口。采用状态机分别实现了余度管理软件和上层应用软件,最后,在功能板上进行了余度管理软件测试,结果表明所提出的方案正确,算法功能与性能满足工程应用要求。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-14
第一章绪论  14-19
  1.1 引言  14
  1.2 无人机余度飞行控制计算机发展现状及趋势  14-15
    1.2.1 无人机余度飞行控制计算机的发展现状  14-15
    1.2.2 余度飞行控制计算机的发展趋势  15
  1.3 课题来源和研究背景  15-16
  1.4 需解决的关键问题和拟采取的研究方法  16-17
  1.5 本文的主要研究成果与内容安排  17-19
第二章余度飞行控制计算机总体设计  19-28
  2.1 余度飞行控制计算机结构设计  19-23
    2.1.1 二余度飞行控制计算机  19-20
    2.1.2 三余度飞行控制计算机  20-21
    2.1.3 四余度飞行控制计算机  21
    2.1.4 飞行控制计算机的余度方案设计  21-23
  2.2 余度飞行控制计算机单机选择  23-25
    2.2.1 基于PC104 总线结构的飞行控制计算机  23-24
    2.2.2 基于CAN 总线结构的分布式飞行控制计算机  24-25
  2.3 余度飞行控制计算机物理模型  25-26
  2.4 余度飞行控制计算机体系结构  26
  2.5 小结  26-28
第三章数据交叉链路研究设计  28-38
  3.1 总线选择  28-29
    3.1.1 并行总线与串行总线的比较  28
    3.1.2 串行总线的选择  28-29
  3.2 CAN 总线简介  29-30
    3.2.1 CAN 的分层结构  29
    3.2.2 CAN 的通信规则  29-30
    3.2.3 CAN 的数据帧  30
    3.2.4 CAN 数据帧滤波技术  30
  3.3 数据交叉链路传递方式选择  30-31
  3.4 数据交叉链路CAN 总线通讯协议设计  31-34
    3.4.1 数据交叉链路CAN 总线通讯方式  31
    3.4.2 数据交叉链路CAN 总线高层协议设计  31-33
    3.4.3 数据交叉链路CAN 总线高层协议实现  33-34
  3.5 数据交叉链路CAN 总线协议验证  34-37
    3.5.1 验证目的  34
    3.5.2 验证方案  34-35
    3.5.3 验证结果  35-37
    3.5.4 验证结论  37
  3.6 小结  37-38
第四章单通道分布式飞行控制计算机关键技术研究  38-55
  4.1 基于CAN 总线的分布式计算机简介  38-39
    4.1.1 中央处理单元  38
    4.1.2 通信接口单元  38-39
    4.1.3 模拟量接口单元  39
    4.1.4 开关量接口单元  39
  4.2 分布式计算机已有成果、存在问题和关键技术研究  39-40
    4.2.1 已有成果  39-40
    4.2.2 存在问题  40
    4.2.3 关键技术及方案研究  40
  4.3 单通道分布式计算机软件移植方案研究  40-41
    4.3.1 软件移植方案设计准则  40-41
    4.3.2 飞行控制软件移植方案  41
  4.4 分布式飞行控制计算机内部通讯技术研究  41-49
    4.4.1 飞行控制计算机内部CAN 总线通讯协议设计  41-48
    4.4.2 双口RAM 通讯协议设计  48-49
  4.5 关键技术验证  49-54
    4.5.1 CAN 总线高层协议验证  49-50
    4.5.2 CAN 总线协议和双口RAM 协议综合验证  50-51
    4.5.3 分布式飞行控制计算机半物理仿真验证  51-54
  4.6 小结  54-55
第五章余度管理算法研究设计  55-65
  5.1 余度管理软件总体设计方案  55
  5.2 时间同步算法设计与分析  55-59
    5.2.1 同步方式  55-57
    5.2.2 同步算法描述  57-58
    5.2.3 同步算法分析  58-59
  5.3 数据封装与表决  59-60
    5.3.1 数据封装算法  59-60
    5.3.2 封装空间的投票表决  60
  5.4 成员关系计算  60-63
    5.4.1 飞行控制计算机发现操作  60-61
    5.4.2 主飞行控制计算机选举算法  61-62
    5.4.3 系统重构  62-63
  5.5 状态记录  63
  5.6 小结  63-65
第六章余度管理软件与上层应用软件设计实现  65-73
  6.1 上层应用软件的设计  65-66
    6.1.1 上层应用软件模型  65-66
    6.1.2 上层应用软件实现  66
  6.2 余度管理软件设计  66-69
    6.2.1 余度管理软件模型  66-67
    6.2.2 余度管理软件实现  67-69
  6.3 上层应用软件与余度管理软件的信息交互  69
  6.4 软件功能验证  69-72
    6.4.1 验证目的  69
    6.4.2 验证方案  69-70
    6.4.3 验证结果  70-72
    6.4.4 验证结论  72
  6.5 小结  72-73
第七章总结与展望  73-76
  7.1 本文的主要工作和贡献  73
  7.2 本文的不足之处  73-74
  7.3 后续工作展望  74-76
参考文献  76-80
致谢  80-81
在学期间的研究成果及发表的学术论文  81

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