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小型固定翼无人机飞行控制软件设计与开发

作　者: 李俊
导　师: 李春涛
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 飞行控制软件小型固定翼无人机模块化安全可靠故障处理
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 188次
引　用: 2次
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内容摘要

随着无人机在众多领域开展的广泛应用,对其提出的要求也越来越高,作为“大脑”的飞行控制系统也越来越受到重视。飞行控制软件是无人机飞行控制系统的重要组成部分,其性能直接关系到无人机的飞行安全。因此在飞行控制软件的设计中既要满足基本的飞行功能,又要提高软件本身的安全性能。本课题正是在这个研究背景和实际工程的需求下提出的。首先,论文采用模块化思想设计开发了一种小型固定翼无人机飞行控制软件,在使整个软件可维护和可扩展的同时,针对软件多任务动态运行、内存保护等要求,设计了数据区轮换读写机制及软件看门狗,解决了多任务对内存读写冲突的问题,保障了飞行控制软件运行的可靠性。其次,结合飞行控制计算机的资源配置,完成了目标硬件的初始化、串口驱动、脉宽调制接口驱动、模拟量驱动和离散量驱动软件设计与开发。完成底层驱动环境开发后,对飞行控制软件进行了任务划分和优先级分配。在综合考虑飞行控制软件性能和功能需求的基础上,设计开发了传感器采集、控制律解算、遥控遥测和导航制导等9个任务,实现了自主导航、指令导航和人工导航三种飞行模态,并通过事件触发的方式对多任务进行调度管理,实现了不同飞行模态间的平滑切换。再次,针对机载设备的配置情况,设计了传感器信息源故障和测控系统链路故障的处理逻辑。给出了传感器的通信状态、数据安全范围和测控系统链路等故障诊断机制,设计了传感器高度信息源、定位信息源、测控链路等故障处置逻辑,确保了无人机的空中安全飞行。最后,在实时仿真环境下,对飞行控制软件进行了半物理飞行仿真验证,测试了传感器故障和测控链路故障逻辑,仿真结果表明本文所设计的软件满足了小型固定翼无人机飞行控制的需求。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
图表清单  9-12
注释表  12-13
第一章绪论  13-20
  1.1 引言  13-15
  1.2 课题研究现状  15-17
    1.2.1 国内外的研究现状  15-16
    1.2.2 本单位的研究现状  16-17
  1.3 研究内容及需解决的问题  17-19
    1.3.1 本文的主要研究内容  17-18
    1.3.2 本文需要解决的问题  18-19
  1.4 本文的章节安排  19-20
第二章飞行控制软件的总体方案  20-30
  2.1 引言  20
  2.2 飞行控制软件的目标环境  20-23
    2.2.1 飞行控制计算机硬件环境  20-22
    2.2.2 飞行控制软件开发环境  22-23
  2.3 飞行控制软件的需求分析  23-24
  2.4 飞行控制软件的整体结构  24-27
    2.4.1 硬件驱动层  25-26
    2.4.2 软件服务层  26
    2.4.3 软件功能层  26-27
  2.5 软件的测试和验证方案  27-29
    2.5.1 软件实时性能测试  27-28
    2.5.2 飞行控制功能验证  28-29
    2.5.3 故障处置功能验证  29
  2.6 本章小结  29-30
第三章飞行控制软件底层驱动设计  30-43
  3.1 引言  30
  3.2 板级系统初始化  30-31
  3.3 串口驱动设计  31-36
    3.3.1 CPU 自带串口的驱动设计  32-34
    3.3.2 TPU3 外扩串口的驱动设计  34-35
    3.3.3 串口中断服务的设计  35-36
  3.4 PWM 驱动设计  36-39
    3.4.1 舵机的工作方式  36-37
    3.4.2 PWM 信号的输出  37-39
    3.4.3 PWM 信号的捕获  39
  3.5 AD 驱动设计  39-41
  3.6 DIO 驱动设计  41-42
  3.7 本章小结  42-43
第四章飞行控制软件服务模块的设计  43-56
  4.1 引言  43
  4.2 传感器模块  43-49
    4.2.1 GPS 数据接收任务设计  44-46
    4.2.2 IMU 数据采集任务设计  46-47
    4.2.3 AD 数据采集任务设计  47-49
  4.3 无线测控模块  49-51
    4.3.1 无线电台的工作方式  49
    4.3.2 测控链路可靠性通信  49-51
  4.4 数据管理模块  51-53
  4.5 舵机控制模块设计  53-54
  4.6 本章小结  54-56
第五章飞行控制软件功能模块的设计  56-69
  5.1 引言  56
  5.2 遥控遥测模块设计  56-59
    5.2.1 遥控任务设计  56-58
    5.2.2 遥测任务设计  58-59
  5.3 导航模块设计  59-63
    5.3.1 自主导航任务设计  59-61
    5.3.2 指令导航任务设计  61-63
    5.3.3 人工导航任务设计  63
  5.4 控制律模块设计  63-66
    5.4.1 纵向控制逻辑的设计  64-66
    5.4.2 横侧向控制逻辑的设计  66
  5.5 调度管理模块设计  66-68
  5.6 本章小结  68-69
第六章软件系统测试和仿真  69-82
  6.1 引言  69
  6.2 软件实时性能测试  69-71
  6.3 半物理仿真环境的构建  71-72
  6.4 故障处置功能仿真验证  72-75
    6.4.1 仿真试验  72-73
    6.4.2 试验结果与分析  73-75
  6.5 自主导航功能仿真试验  75-77
    6.5.1 仿真试验  75
    6.5.2 试验结果与分析  75-77
  6.6 指令导航功能仿真试验  77-79
    6.6.1 仿真试验  77
    6.6.2 试验结果与分析  77-79
  6.7 人工导航功能仿真试验  79-81
    6.7.1 仿真试验  79-80
    6.7.2 试验结果与分析  80-81
  6.8 本章小结  81-82
第七章总结与展望  82-84
  7.1 本文的工作总结  82
  7.2 后续研究工作展望  82-84
参考文献  84-87
致谢  87-88
在学期间发表的学术论文  88

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