基于VxWorks的無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

   摘  要:    組建了一種基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks平臺(tái)的無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)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(jí)的消息隊(duì)列方法和嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks的信號(hào)量與看門(mén)狗定時(shí)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(guò)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(wú)人直升機(jī)，VxWorks，任務(wù)，消息隊(duì)列

1     前言
   自主飛行無(wú)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(wú)人直升機(jī)在炮兵射擊訓(xùn)練、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、輸電線路巡視，森林火災(zāi)狀況觀測(cè)等軍用與民用方面都有著廣泛的作用。自從1917年英國(guó)研制出世界上第一架無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)已經(jīng)經(jīng)歷了無(wú)人靶機(jī)、預(yù)編程序控制無(wú)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(wú)人機(jī)的發(fā)展過(guò)程，現(xiàn)今無(wú)人直升機(jī)研究在于自主飛行控制?，F(xiàn)今無(wú)人直升機(jī)任務(wù)多樣化和遠(yuǎn)距離作業(yè)需求，對(duì)無(wú)人直升機(jī)遠(yuǎn)距離通信和控制提出了更高要求【1】。

    在無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是現(xiàn)今研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。VxWorks是專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的32位操作系統(tǒng)，它高性能內(nèi)核和友好用戶(hù)開(kāi)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(chǎng)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(jì)算機(jī)中，可以滿(mǎn)足無(wú)人直升機(jī)信息處理的實(shí)時(shí)性要求。機(jī)載控制計(jì)算機(jī)需要控制無(wú)人直升機(jī)上多個(gè)設(shè)備，同時(shí)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(mǎn)足多任務(wù)需求。同時(shí)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(wú)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(dòng)，支持TCP與UDP協(xié)議、遠(yuǎn)程調(diào)用、遠(yuǎn)程文件訪問(wèn)、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(shí)它的開(kāi)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(kāi)發(fā)周期，達(dá)到了預(yù)期的效果。 

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1   控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
   無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)包括以下七個(gè)部分：無(wú)人直升機(jī)、機(jī)載控制計(jì)算機(jī)、機(jī)載平衡模塊、機(jī)載導(dǎo)航模塊、手動(dòng)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(jiàn)圖一

圖一 無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

   通過(guò)手動(dòng)遙控使無(wú)人直升機(jī)起飛，起飛后遙控器觸動(dòng)多路選擇器，把無(wú)人直升機(jī)的控制權(quán)交與機(jī)載控制計(jì)算機(jī)。機(jī)載控制計(jì)算機(jī)開(kāi)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(jì)算機(jī)使得它啟動(dòng)自主定點(diǎn)飛行任務(wù)，控制無(wú)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(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)的控制對(duì)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(hào)的電子羅盤(pán)。機(jī)載控制計(jì)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(tái)，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖二。

圖二 無(wú)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(gè)獨(dú)立的異步串行I/O端口，每個(gè)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(pán)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(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232C來(lái)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(wú)人直升機(jī)的5個(gè)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(dòng)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(chǔ)器存儲(chǔ)程序運(yùn)行中的中間數(shù)據(jù)，2MB的SST39VF1601存儲(chǔ)器作為FLASH存儲(chǔ)源程序。

1.3   控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    無(wú)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(jí)的消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，消息隊(duì)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(mén)狗與信號(hào)量的多任務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)自主定點(diǎn)飛行與實(shí)時(shí)飛行狀態(tài)信息傳輸?shù)墓δ?。四是基站控制軟件的設(shè)計(jì)。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(jí)的消息隊(duì)列與基于信號(hào)量與看門(mén)狗的多任務(wù)調(diào)度。

2.3.1 基于優(yōu)先級(jí)的消息隊(duì)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(wèn)題，本控制系統(tǒng)建立了基于優(yōu)先級(jí)的消息隊(duì)列機(jī)制。系統(tǒng)在RAM中開(kāi)辟一個(gè)區(qū)域用于建立消息隊(duì)列，隊(duì)列中指針指向的是各個(gè)信息的內(nèi)存塊地址。各個(gè)任務(wù)將根據(jù)這些指針指向的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行實(shí)際操作。

（1）基于優(yōu)先級(jí)的消息隊(duì)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(jí)，地面基站的自主飛行命令優(yōu)先級(jí)為最高，把它插入到消息隊(duì)列的隊(duì)列頭，而機(jī)載電子羅盤(pán)與GPS發(fā)送的數(shù)據(jù)信息優(yōu)先級(jí)低，按照時(shí)間順序排列在消息隊(duì)列的隊(duì)列尾。信息解釋任務(wù)從消息隊(duì)列頭逐一取出信息然后進(jìn)行處理。

（2）消息隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)單向鏈表來(lái)實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列的添加與刪除。每個(gè)鏈表元素是一個(gè)結(jié)構(gòu)體struct messageChain，結(jié)構(gòu)體包含頭指針pBuff與指向下一個(gè)元素的指針pNext。同時(shí)使用兩個(gè)全局變量直接表示鏈表頭與鏈表尾，一個(gè)全局變量表示鏈表長(zhǎng)度，這

樣可以直接處理鏈表頭或者鏈表尾的內(nèi)容以簡(jiǎn)化查找過(guò)程。

2.3.2 基于看門(mén)狗的多任務(wù)調(diào)度
     VxWorks系統(tǒng)可以為每個(gè)任務(wù)設(shè)定特定的任務(wù)名與任務(wù)優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)支持256個(gè)優(yōu)先級(jí)。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(jí)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(jí)要高于Tornado開(kāi)發(fā)環(huán)境中shell發(fā)起sp的任務(wù)優(yōu)先級(jí)即小于100，同時(shí)也要低于系統(tǒng)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)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(cè)任務(wù)，定時(shí)輪詢(xún)?nèi)蝿?wù)，自主飛行任務(wù)等多任務(wù)。流程圖見(jiàn)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(kù)函數(shù)?？撮T(mén)狗時(shí)鐘精確定時(shí)用到函數(shù)wdCreate(),wdStart()等,任務(wù)間的同步調(diào)度使用的是信號(hào)量，包括有二進(jìn)制信號(hào)量與計(jì)數(shù)信號(hào)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(jí)在消息隊(duì)列中添加元素，并存放信息到特定的內(nèi)存塊中，然后啟動(dòng)計(jì)數(shù)型的信號(hào)量，信號(hào)量的值對(duì)應(yīng)于當(dāng)前消息隊(duì)列中還沒(méi)有被執(zhí)行命令的個(gè)數(shù)，每增加一個(gè)消息命令后，計(jì)數(shù)型信號(hào)量就釋放，消息解釋任務(wù)獲得釋放的信號(hào)量后從消息隊(duì)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(wú)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(shí)信息傳送給地面基站。如判斷是無(wú)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(shí)查詢(xún)無(wú)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(dòng)作以完成自主定點(diǎn)飛行任務(wù)。在定時(shí)查詢(xún)機(jī)載設(shè)備信息以確定飛行狀態(tài)時(shí)，用taskDelay()函數(shù)不能滿(mǎn)足精確定時(shí)的要求。VxWorks系統(tǒng)提供得看門(mén)狗它可以保證嚴(yán)格的定時(shí)，在調(diào)用自主飛行任務(wù)時(shí)創(chuàng)建看門(mén)狗。經(jīng)過(guò)1s的時(shí)間延時(shí)后運(yùn)行查詢(xún)無(wú)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(dòng)作，直到完成無(wú)人直升機(jī)的自主定點(diǎn)飛行任務(wù)后取消看門(mén)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(shí)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(hào)量的多線程技術(shù)通過(guò)C++語(yǔ)言進(jìn)行編譯。控制效果圖中顯示無(wú)人直升機(jī)自主定點(diǎn)飛行時(shí)的實(shí)時(shí)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(cè)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(kāi)發(fā)的必備平臺(tái)。地面基站控制效果圖見(jiàn)圖四

圖四 地面基站控制效果圖

2     結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)從硬件與軟件兩個(gè)方面進(jìn)行了闡述，并應(yīng)用了先進(jìn)與高性能的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks，通過(guò)VxWorks多任務(wù)調(diào)度時(shí)的快速切換響應(yīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)的自主飛行。并且通過(guò)實(shí)際的多次實(shí)驗(yàn)飛行與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人模型直升機(jī)自主飛行的任務(wù)，取得了預(yù)期的效果。