《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于VxWorks的無人直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計
摘要: 組建了一種基于嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)VxWorks平臺的無人直升機(jī)控制系統(tǒng),,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無人直升機(jī)飛行狀態(tài)信息傳輸,,接收地面基站命令后完成自主定點(diǎn)飛行任務(wù)。主要利用基于優(yōu)先級的消息隊列方法和嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks的信號量與看門狗定時功能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)間調(diào)度,,獲得飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)向地面基站傳輸與自主定點(diǎn)飛行的同步,。通過實(shí)驗(yàn)飛行,,該系統(tǒng)的正確性與可靠性得到了驗(yàn)證。
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Key words :

   摘  要:    組建了一種基于嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)VxWorks平臺的無人直升機(jī)控制系統(tǒng),,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無人直升機(jī)飛行狀態(tài)信息傳輸,,接收地面基站命令后完成自主定點(diǎn)飛行任務(wù)。主要利用基于優(yōu)先級的消息隊列方法和嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks的信號量與看門狗定時功能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)間調(diào)度,,獲得飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)向地面基站傳輸與自主定點(diǎn)飛行的同步,。通過實(shí)驗(yàn)飛行,該系統(tǒng)的正確性與可靠性得到了驗(yàn)證,。
關(guān)鍵詞:    無人直升機(jī),,VxWorks,任務(wù),,消息隊列

1     前言
   自主飛行無人直升機(jī)的研究是現(xiàn)今多學(xué)科交叉研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn),。無人直升機(jī)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(jī),,無人機(jī)已經(jīng)經(jīng)歷了無人靶機(jī),、預(yù)編程序控制無人偵察機(jī),、指令遙控?zé)o人偵察機(jī)、復(fù)合控制和自主飛行多用途無人機(jī)的發(fā)展過程,,現(xiàn)今無人直升機(jī)研究在于自主飛行控制?,F(xiàn)今無人直升機(jī)任務(wù)多樣化和遠(yuǎn)距離作業(yè)需求,對無人直升機(jī)遠(yuǎn)距離通信和控制提出了更高要求【1】,。

    在無人直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計中采用實(shí)時操作系統(tǒng)是現(xiàn)今研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn),。VxWorks是專門為實(shí)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(jī)載控制計算機(jī)中,可以滿足無人直升機(jī)信息處理的實(shí)時性要求,。機(jī)載控制計算機(jī)需要控制無人直升機(jī)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【2】,使得無人直升機(jī)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(qiáng)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【3】。這些特點(diǎn)縮短了控制系統(tǒng)的開發(fā)周期,,達(dá)到了預(yù)期的效果,。 

系統(tǒng)設(shè)計

1.1   控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
   無人直升機(jī)控制系統(tǒng)包括以下七個部分:無人直升機(jī)、機(jī)載控制計算機(jī),、機(jī)載平衡模塊,、機(jī)載導(dǎo)航模塊、手動遙控模塊,、地面基站與其他機(jī)載模塊,,其他機(jī)載模塊根據(jù)系統(tǒng)擴(kuò)展的需要進(jìn)行添加【4】。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖見圖一


圖一 無人直升機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

   通過手動遙控使無人直升機(jī)起飛,,起飛后遙控器觸動多路選擇器,,把無人直升機(jī)的控制權(quán)交與機(jī)載控制計算機(jī)。機(jī)載控制計算機(jī)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(jī)載控制計算機(jī)使得它啟動自主定點(diǎn)飛行任務(wù),,控制無人直升機(jī)定點(diǎn)飛行,,

飛行任務(wù)結(jié)束后返回狀態(tài)信息給地面基站。

1.2   控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
   此無人直升機(jī)控制系統(tǒng)的控制對象是模型直升機(jī)JRVoyager GS R260, 機(jī)載導(dǎo)航模塊包括Crescent的GPS與Honeywell HMR3300型號的電子羅盤,。機(jī)載控制計算機(jī)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(jī)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(dú)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)的5個舵機(jī),,完成自主定點(diǎn)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(diǎn)飛行模式,。另外還擴(kuò)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(yùn)行中的中間數(shù)據(jù),2MB的SST39VF1601存儲器作為FLASH存儲源程序,。

1.3   控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
    無人直升機(jī)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(shí)現(xiàn),消息隊列中包含飛行狀態(tài)信息與自主定點(diǎn)飛行信息,。三是基于看門狗與信號量的多任務(wù)調(diào)度,,實(shí)現(xiàn)自主定點(diǎn)飛行與實(shí)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?yàn)閳?zhí)行機(jī)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(jī)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(jìn)行實(shí)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(jī)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(jìn)行處理,。

(2)消息隊列的實(shí)現(xiàn)。通過單向鏈表來實(shí)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?yàn)橛沙绦虬l(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【5】??刂葡到y(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)??撮T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(jìn)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(jī)飛行狀態(tài)信息,調(diào)用信息發(fā)送任務(wù)把實(shí)時信息傳送給地面基站,。如判斷是無人直升機(jī)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(jī)飛行狀態(tài)信息并與命令中信息做比較,控制舵機(jī)動作以完成自主定點(diǎn)飛行任務(wù),。在定時查詢機(jī)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(yùn)行查詢無人直升機(jī)飛行狀態(tài)信息的函數(shù),比較信息后控制舵機(jī)動作,直到完成無人直升機(jī)的自主定點(diǎn)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(jī)的實(shí)際飛行狀況?;究刂栖浖?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(jìn)行編譯,。控制效果圖中顯示無人直升機(jī)自主定點(diǎn)飛行時的實(shí)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(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)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

2     結(jié)束語
本文對無人直升機(jī)控制系統(tǒng)從硬件與軟件兩個方面進(jìn)行了闡述,,并應(yīng)用了先進(jìn)與高性能的實(shí)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(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)的自主飛行。并且通過實(shí)際的多次實(shí)驗(yàn)飛行與調(diào)試,,實(shí)現(xiàn)了無人模型直升機(jī)自主飛行的任務(wù),,取得了預(yù)期的效果。

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