基于PC104的无人直升机飞行控制系统设计

论文摘要

无人机系统在现代军事、航空及遥感领域有着广泛的应用,由于其具有载人飞机所没有诸多优势,因此国内外针对无人机系统的研究方兴未艾。本文以无人直升机系统作为研究对象,围绕无人直升机的主要组成部分——飞行控制系统的设计展开具体研究,并对其中飞行控制软件设计进行深入的探讨和研究,主要工作包括以下几个方面：(1)对无人机系统动力学特性进行研究,综合实际工程需求,建立无人直升机动力学数学模型。(2)以实际工程设计需求为基础,开展无人直升机飞行控制系统总体设计和子系统功能设计。(3)采用分层、模块化等设计理念,对无人机飞行控制软件系统的层级结构、路径生成机制、各子模块的功能进行设定。(4)重点进行了飞行控制软件系统的实现。一方面是对软件平台的构建,首次提出将经过改造的标准Linux内核用于飞行控制领域；另一方面是对部分主要功能模块的软件设计工作,包括流程框图设计、算法设计和基于Linux的多线程实现。(5)设计实现了空地通讯协议,描述了相关流程.本文采用的飞行控制计算机以IA32构架PC／104为硬件基础,采用新型Geode LX800处理器,在保持其原有的强大处理能力的同时克服了功耗大,成本高的问题。经过上述设计工作,基本构建完成了一套比较完整飞行控制系统,为后续的设计、实验工作打下了一个良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 无人机概述
• 1.2 研制背景
• 1.3 飞行控制计算机技术的发展
• 1.3.1 飞控系统硬件体系及其比较
• 1.3.2 嵌入式软件操作系统及其比较
• 1.4 本文研究内容及研究方法
• 2 无人直升机动力学建模
• 2.1 无人直升机线化方程
• 2.2 无人直升机的定常配平计算
• 3 无人直升机飞行控制系统设计
• 3.1 系统总体设计方案
• 3.1.1 飞控系统功能及技术指标要求
• 3.1.2 测控系统功能及技术指标要求
• 3.2 飞行控制系统设计方案
• 3.2.1 各子系统功能要求
• 3.2.2 各子系统性能指标
• 3.3 控制器设计与综合
• 3.3.1 飞行控制总体方案选择
• 3.3.1.1 系统基本控制方案选择
• 3.3.1.2 PID参数的整定
• 3.3.2 ECU控制策略
• 3.4 系统通信协议设计
• 3.4.1 PC104与ECU通讯协议
• 3.4.1.1 帧结构
• 3.4.1.2 发动机状态信息帧
• 3.4.1.3 发动机转速设定值命令
• 3.4.1.4 发动机点火命令
• 3.4.1.5 发动机停车命令
• 3.4.2 PC104与下级控制器通讯协议
• 3.4.2.1 帧结构
• 3.4.2.2 发动机状态信息帧
• 3.4.2.3 发动机转速设定值命令
• 4 无人直升机飞行控制软件设计
• 4.1 飞行控制系统层级结构
• 4.2 控制系统软件结构
• 4.3 各软件模块功能定义
• 4.3.1 基于任务的路径规划
• 4.3.2 飞行任务调度模块
• 4.3.3 系统监控模块
• 4.3.4 行控制模块
• 4.3.5 发动机管理模块
• 4.3.6 电源管理模块
• 4.3.7 空地通讯协议解析模块
• 4.4 飞行控制系统进程规划及进程间通信
• 5 飞行控制软件系统实现
• 5.1 Linux操作系统分析
• 5.1.1 Linux操作系统特点
• 5.1.2 系统启动与初始化简析
• 5.1.3 Linux实时化典型实现方法
• 5.1.4 Linux内核实时性能分析
• 5.1.5 解决方案
• 5.2 Linux操作系统定制
• 5.2.1 常见嵌入式Linux定制途径
• 5.2.2 文件系统类型
• 5.2.3 建立根文件系统
• 5.2.4 Linux内核裁剪及实时化改造
• 5.2.5 动态连接库
• 5.2.6 启动引导模块选择及定制
• 5.3 飞行控制系统部分模块设计实现
• 5.3.1 PID控制器的软件实现
• 5.3.1.1 数据结构设计
• 5.3.1.2 程序设计
• 5.3.2 空地通信模块设计实现
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢