CN105867412A - 一种小型无人机的机载计算机软件系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型无人机的机载计算机软件系统，包括机载计算机，所述机载计算机通过RS‑232接口连接机载数据采集系统、飞行控制系统、导航系统和存储系统；所述机载计算机的软件系统分为驱动层、数据处理层、控制层和应用层；采用分层设计的方法，通过对功能模块的层次划分和任务划分，在高实时性和高可靠性的嵌入式实时多任务操作系统的基础上完成了多任务的并发设计，确定了高度可扩展的软件系统的架构．引入以数据为中心的系统进程间通信方式，增加了软件系统的数据通信的可靠性和灵活性，增强了飞控系统采集模拟量数据的实时性，减轻了飞控计算机CPU的负担，提高了飞控系统整体并行处理能力。

Description

一种小型无人机的机载计算机软件系统

技术领域

本发明涉及无人机控制技术领域，具体涉及一种小型无人机的机载计算机软件系统。

背景技术

随着新技术、新设备的发展，无人机的发展也日益加快，各式各样的无人机相继问世。由于无人机有机动灵活、体积小、成本低、无人员伤亡等优点，无人机研究和发展受到许多国家的高度重视。在军事上，无人机可作为空中侦察平台和武器平台，通过携带不同的设备，执行侦察监视、对地攻击、电子干扰、通信中继、目标定位、攻击损伤有效评估等任务。在民用方面，无人机也大有可为，它可应用于航空摄影、气象探测、勘探测绘、环境研究、核辐射探测、通信中继、水灾监视、森林火灾防救、电力线路查巡等，还可用于边境巡逻与控制、交通巡逻和治安监控，在军用、民用和科研等领域发挥出越来越重要的作用。无人机飞行控制与导航系统是一种具有高性能的自主导航、自主飞行控制、任务管理的综合系统。作为无人机的神经系统，对无人机的性能和安全性起着决定性的作用。

在过去的几十年里，小型无人机在全世界的军事和民用领域内得到广泛应用．小型无人机具有灵活性高、隐蔽性好以及对燃料要求较低等优势，能够在恶劣、枯燥、危险的３Ｄ环境中执行各种艰巨任务，现在其机载计算机软件系统的设计已经成为限制小型无人机向全自主、多任务、高安全方向发展的主要障碍，无人机机载计算机与大多数嵌入式系统一样，大小有限、资源有限，但要求能够满足各种复杂条件实时应用，因而其软件系统的开发是一个复杂的过程．在小型无人机机载计算机软件系统设计过程中，需要重点考虑的问题：（1）如何设计灵活、可扩展的软件系统架构以满足任务多样性要求，以及越来越广泛的传感器处理要求；（2）无人机的广泛应用导致越来越多的飞行事故的出现，频繁的飞行事故率导致无人机在军用和民用领域中受限，所以如何在设计中保证无人机的安全性和可靠性也是机载计算机软件系统设计的一个重要任务。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种小型无人机的机载计算机软件系统，采用分层设计的方法，通过对功能模块的层次划分和任务划分，在高实时性和高可靠性的嵌入式实时多任务操作系统的基础上完成了多任务的并发设计，确定了高度可扩展的软件系统的架构．引入以数据为中心的系统进程间通信方式，增加了软件系统的数据通信的可靠性和灵活性，可以有效解决背景技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种小型无人机的机载计算机软件系统，包括机载计算机，所述机载计算机通过RS-232接口连接机载数据采集系统、飞行控制系统、导航系统和存储系统；所述机载计算机的软件系统分为驱动层、数据处理层、控制层和应用层；所述驱动层负责传感器数据的采集、数传通信数据的读取、组合导航原始数据的采集以及执行机构的控制工作；所述数据处理层调用驱动层模块获取原始数据，对原始数据进行解码以及变换，将加工后的数据发布给控制层；所述控制层需要的数据依赖于数据处理层，并通过对象请求代理进行接口数据耦合，通过ORP机制为驱动层和控制层之间提供通用的数据通信服务，实现控制层和数据处理层数据的同步；所述应用层根据功能需求进行飞行任务管理，直接调用控制层的控制模块实现自主起降、航迹飞行及区域侦察任务，同时进行无人机状态的切换。

根据上述方案，所述机载数据采集系统采用单片机作为核心CPU，使用8通道的多路转换开关来扩展模拟量输入通道，用来对机载传感器的模拟信号进行采集，在采集完相应的数据后，将其快速、可靠传送给机载计算机的，供飞行控制使用。

根据上述方案，所述机载数据采集系统与机载飞控计算机主控模块之间，使用双端口RAM传递数据。

根据上述方案，所述机载数据采集系统的各机载传感器输出的模拟信号的电平不一致，在A/D器件采集前使用信号调理电路来完成模拟信号的电平转换、滤波，以满足ADC转换输入的要求。

根据上述方案，所述机载数据采集系统利用单片机的UART口配置的标准串行口，将采集到的数据送检测计算机，对各传感器的数据进行检测。

根据上述方案，所述机载数据采集系统的程序流程为：开始→初始化→A/D检测→启动A/D转换→数字滤波→可用否→数据存储。

根据上述方案，所述飞行控制系统与导航系统连接，且飞行控制系统连接传感器模块，传感器连接垂直陀螺、方向速率陀螺、磁航向传感器、GPS传感器、动静压传感器、空速管、尾翼舵机、副翼舵机和风门舵机。

根据上述方案，所述导航系统是采用PC104为核心的主板，由D/A、A/D、标准RS232串行口、离散化功率通道及数字I/O通道组成的系统，

根据上述方案，所述动静压传感器智能PPT压力传感式模块。

本发明的有益效果：本发明采用分层设计的方法，通过对功能模块的层次划分和任务划分，在高实时性和高可靠性的嵌入式实时多任务操作系统的基础上完成了多任务的并发设计，确定了高度可扩展的软件系统的架构，引入以数据为中心的系统进程间通信方式，增加了软件系统的数据通信的可靠性和灵活性；通过的双口RAM与飞控系统的CPU之间交换数据，采用硬件仲裁方式防止访问数据冲突，该设计增强了飞控系统采集模拟量数据的实时性，减轻了飞控计算机CPU的负担，提高了飞控系统整体并行处理能力，该数据采集系统经过简单改进后，还可以应用于其它的工业控制场合，有较高的实用价值；飞行控制系统和导航系统体积小、成本低、集成度高、可靠性好，具有很强的通用性、可移植性，可适用于各类中小型无人机。

附图说明

图1为本发明整体结构框图。

图2为本发明机载计算机软件层次化架构图。

图3为本发明机载数据采集系统结构框图。

具体实施方式

参照图1至图3，本发明设计一种小型无人机的机载计算机软件系统，包括机载计算机，所述机载计算机通过RS-232接口连接机载数据采集系统、飞行控制系统、导航系统和存储系统；所述机载计算机的软件系统分为驱动层、数据处理层、控制层和应用层；

所述驱动层负责传感器数据的采集、数传通信数据的读取、组合导航原始数据的采集以及执行机构的控制工作；所述数据处理层调用驱动层模块获取原始数据，对原始数据进行解码以及变换，将加工后的数据发布给控制层；所述控制层需要的数据依赖于数据处理层，并通过对象请求代理进行接口数据耦合，通过ORP机制为驱动层和控制层之间提供通用的数据通信服务，实现控制层和数据处理层数据的同步；所述应用层根据功能需求进行飞行任务管理，直接调用控制层的控制模块实现自主起降、航迹飞行及区域侦察任务，同时进行无人机状态的切换。

所述机载数据采集系统采用单片机作为核心CPU，使用8通道的多路转换开关来扩展模拟量输入通道，用来对机载传感器的模拟信号进行采集，在采集完相应的数据后，将其快速、可靠传送给机载计算机的，供飞行控制使用。

单片机选用CYGNAL公司的C8051F020，具有与MCS51内核及指令集完全兼容的微控制器，指令处理能力比MCS51大大提高，最大系统时钟频率25MHz，执行速度可达25MIPS；片内集成了9通道的12位A/D转换器，采样速率达到100ksps，不用外加ADC芯片就能满足需要；具有丰富的外设接口，包括2个增强型UART串口，1个I2C总线接口以及1个SPI接口，可以用来与对实时性要求不高的设备或者地面测试设备进行数据交换；片内存储空间大，具有64kB的Flash存储器，4kB内部数据RAM以及外部64kB数据存储器接口，Flash存储器可用于非易失性数据存储；调试方便，该芯片支持JTAG调试功能；工业级工作温度范围（-45～+85℃），满足系统温度的要求；

根据上述方案，所述机载数据采集系统与机载飞控计算机主控模块之间，使用双端口RAM传递数据；所述机载数据采集系统利用单片机的UART口配置的标准串行口，将采集到的数据送检测计算机，对各传感器的数据进行检测，选用IDT公司生产的IDT7025双端口RAM器件，在数据采集系统和机载计算机的主控模块之间进行数据传输，满足机载航电系统多传感器数据的实时性和可靠性的要求。由于IDT7025具有2个独立的数据交换端口，其均有相应的数据总线、地址总线和控制总线，从而允许2个端口在内部仲裁逻辑控制下，独立、异步地对RAM中的任何存储单元进行读写操作，用它在数据采集核心CPU和机载计算机的CPU之间传递数据，具有存取速度快、功耗低、可完全异步操作和接口电路简单等优点。

根据上述方案，所述机载数据采集系统的各机载传感器输出的模拟信号的电平不一致，在A/D器件采集前使用信号调理电路来完成模拟信号的电平转换、滤波，以满足ADC转换输入的要求；ADC子系统中有一个9通道的可配置模拟多路开关，其中8路是可以供外部数据采集使用的，第9个通道被用来做片内温度采集用。在无人机系统中需要采集的模拟信号很多，但对它们的实时性的要求是不一样的，根据系统数据周期为80ms的要求，将俯仰角、滚转角和高度3个参与控制的模拟量信号直接分配在单片机的通道1，2，3上，其余的4，5，6，7，8通道使用8选1多路模拟开关CD4051扩展为40路采集通道，4051负责轮流切换其它被测通道，以达到分时控制和巡回检测的目的。采用单片机内部的定时器0设置10ms定时，当10ms定时一到，单片机进行一次从通道1到通道8的数据采集，需要说明的是:这样相当于1，2，3通道是每10ms采集1次，4，5，6，7，8通道上的模拟量就是80ms采集1次，这样既满足了控制系统对姿态角和高度数据的10ms的要求，又满足了系统对其它模拟量检测的实时性要求。

所述机载数据采集系统的程序流程为：开始→初始化→A/D检测→启动A/D转换→数字滤波→可用否→数据存储；为保证模拟量数据采集的可靠性，对采集后的数据需要使用简单的数字滤波，以保证采集的数据的可靠性和可用性，软件还需要判断本次采集数据是否有效，只有有效的数据才被存储以供后续的飞行控制之用。

根据上述方案，所述飞行控制系统与导航系统连接，且飞行控制系统连接传感器模块，传感器连接垂直陀螺、方向速率陀螺、磁航向传感器、GPS传感器、动静压传感器、空速管、尾翼舵机、副翼舵机和风门舵机；所述导航系统是采用PC104为核心的主板，由D/A、A/D、标准RS232串行口、离散化功率通道及数字I/O通道组成的系统，不采用开放式总线结构，以减小系统的体积。姿态传感器选用高精度、体积小、可靠性好的垂直陀螺，具有很高的性价比，所述动静压传感器智能PPT压力传感式模块，具有性能稳定可靠、体积小、重量轻、功耗低等诸多优点，还具有模拟接口和数字通讯接口，便于A/D采集和与计算机的数字通讯。伺服舵机具有体积小、重量轻、输出扭矩大的特点，非常适合中小型无人机使用。

本发明采用分层设计的方法，通过对功能模块的层次划分和任务划分，在高实时性和高可靠性的嵌入式实时多任务操作系统的基础上完成了多任务的并发设计，确定了高度可扩展的软件系统的架构，引入以数据为中心的系统进程间通信方式，增加了软件系统的数据通信的可靠性和灵活性；通过的双口RAM与飞控系统的CPU之间交换数据，采用硬件仲裁方式防止访问数据冲突，该设计增强了飞控系统采集模拟量数据的实时性，减轻了飞控计算机CPU的负担，提高了飞控系统整体并行处理能力，该数据采集系统经过简单改进后，还可以应用于其它的工业控制场合，有较高的实用价值；飞行控制系统和导航系统体积小、成本低、集成度高、可靠性好，具有很强的通用性、可移植性，可适用于各类中小型无人机。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种小型无人机的机载计算机软件系统，其特征在于:包括机载计算机，所述机载计算机通过RS-232接口连接机载数据采集系统、飞行控制系统、导航系统和存储系统；所述机载计算机的软件系统分为驱动层、数据处理层、控制层和应用层；所述驱动层负责传感器数据的采集、数传通信数据的读取、组合导航原始数据的采集以及执行机构的控制工作；所述数据处理层调用驱动层模块获取原始数据，对原始数据进行解码以及变换，将加工后的数据发布给控制层；所述控制层需要的数据依赖于数据处理层，并通过对象请求代理进行接口数据耦合，通过ORP机制为驱动层和控制层之间提供通用的数据通信服务，实现控制层和数据处理层数据的同步；所述应用层根据功能需求进行飞行任务管理，直接调用控制层的控制模块实现自主起降、航迹飞行及区域侦察任务，同时进行无人机状态的切换。

2.根据权利要求1所述的一种小型无人机的机载计算机软件系统，其特征在于:所述机载数据采集系统采用单片机作为核心CPU，使用8通道的多路转换开关来扩展模拟量输入通道，用来对机载传感器的模拟信号进行采集，在采集完相应的数据后，将其快速、可靠传送给机载计算机的，供飞行控制使用。

3.根据权利要求1所述的一种小型无人机的机载计算机软件系统，其特征在于，所述机载数据采集系统与机载飞控计算机主控模块之间，使用双端口RAM传递数据。

4.根据权利要求1所述的一种小型无人机的机载计算机软件系统，其特征在于:所述机载数据采集系统的各机载传感器输出的模拟信号的电平不一致，在A/D器件采集前使用信号调理电路来完成模拟信号的电平转换、滤波，以满足ADC转换输入的要求。

5.根据权利要求1所述的一种小型无人机的机载计算机软件系统，其特征在于:所述机载数据采集系统利用单片机的UART口配置的标准串行口，将采集到的数据送检测计算机，对各传感器的数据进行检测。

6.根据权利要求1所述的一种小型无人机的机载计算机软件系统，其特征在于，所述机载数据采集系统的程序流程为：开始→初始化→A/D检测→启动A/D转换→数字滤波→可用否→数据存储。

7.根据权利要求1所述的一种小型无人机的机载计算机软件系统，其特征在于:所述飞行控制系统与导航系统连接，且飞行控制系统连接传感器模块，传感器连接垂直陀螺、方向速率陀螺、磁航向传感器、GPS传感器、动静压传感器、空速管、尾翼舵机、副翼舵机和风门舵机。

8.根据权利要求1所述的一种小型无人机的机载计算机软件系统，其特征在于:所述导航系统是采用PC104为核心的主板，由D/A、A/D、标准RS232串行口、离散化功率通道及数字I/O通道组成的系统。

9.根据权利要求1所述的一种小型无人机的机载计算机软件系统，其特征在于:所述动静压传感器智能PPT压力传感式模块。