基于dSPACE的无人机飞行控制快速原型设计

论文摘要

随着无人机在军事和民用领域内的广泛应用,特别是在现代战争中的独特作用,无人机的研制在世界范围内蓬勃发展。用户对无人机飞行控制系统鲁棒性及可靠性的要求也日益增加,同时对飞行控制软件的开发周期也提出了要求。如何加快飞行控制软件的开发,并使之具有较高的置信度和可靠性,就需要找到一个良好的开发和测试环境。论文首先介绍了无人机飞行控制快速原型设计的过程,研究了该系统的总体结构。根据快速原型在无人机飞行控制系统设计上的应用特点,与dSPACE实时仿真平台相结合,设计适合飞行控制应用的快速原型环境,包括底层模块、飞行任务管理模块和快速原型控制台。然后,分别对各个模块进行具体设计。底层模块的设计包括串口通信模块和模拟量输入输出模块。通过有限状态机原理对无人机飞行控制任务管理模块设计,并针对dSPACE和Simulink结合的特点,研究飞行控制软件的多任务管理在快速原型设计中的应用。结合与本实验室应用成熟的Tilcon软件,通过dSPACE软件的CLIB接口函数库,设计了适合于无人机飞行控制特点的快速原型控制台软件。最后,通过dSPACE平台与“实时仿真设备”搭建的半物理环境进行了无人机全过程飞行的半物理实时仿真,分析了快速原型技术在无人机飞行控制系统设计中的作用,验证了本文研究内容的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无人机飞行控制系统
• 1.3 dSPACE 实时系统
• 1.3.1 dSPACE 软件介绍
• 1.3.2 dSPACE 实时系统硬件配置
• 1.4 无人机飞行控制系统设计方法
• 1.4.1 传统设计方法
• 1.4.2 快速原型设计方法
• 1.5 研究背景和拟解决问题
• 1.5.1 研究背景
• 1.5.2 拟解决的问题
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第二章 快速原型设计总体结构
• 2.1 引言
• 2.2 快速原型系统硬件结构
• 2.3 快速原型飞行控制软件设计
• 2.3.1 传感器模块设计
• 2.3.2 执行机构模块设计
• 2.3.3 飞行任务管理模块设计
• 2.4 快速原型控制台软件设计
• 2.4.1 快速原型控制台功能设计
• 2.4.2 ControlDesk 测试试验软件
• 2.4.3 Tilcon 软件
• 2.4.4 CLIB 结合Tilcon 设计的快速原型控制台
• 2.5 小结
• 第三章 传感器串口通信模块
• 3.1 引言
• 3.2 dSPACE 实时系统串口通信设计方式
• 3.2.1 基于RTI 串口模块的设计方式
• 3.2.2 基于RTLib 函数库的嵌入C 代码模块的设计方式
• 3.3 传感器串口通信模块设计
• 3.3.1 传感器配置
• 3.3.2 S 函数传感器串口通信模块设计
• 3.4 传感器串口通信模块测试
• 3.5 小结
• 第四章 基于 Stateflow 的飞行任务管理模块设计
• 4.1 引言
• 4.2 Stateflow 介绍
• 4.2.1 有限状态机原理
• 4.2.2 Simulink 模型和Stateflow 状态机
• 4.2.3 Stateflow 图的组成元素
• 4.3 基于 Stateflow 的多模态飞行控制
• 4.3.1 飞行控制律
• 4.3.2 飞行任务管理条件执行子系统
• 4.3.3 飞行任务管理模块
• 4.4 小结
• 第五章 多任务模式的快速原型设计
• 5.1 引言
• 5.2 飞行控制的多任务模式
• 5.2.1 飞行控制软件多任务机制
• 5.2.2 dSPACE 多任务机制
• 5.3 基于S 函数的任务模块设计
• 5.3.1 延时功能函数设计
• 5.3.2 任务模块通用模板化设计
• 5.4 小结
• 第六章 快速原型控制台设计
• 6.1 引言
• 6.2 CLIB 接口函数库与 dSPACE 内存变量管理
• 6.2.1 CLIB 接口函数库
• 6.2.2 dSPACE 内存变量管理
• 6.3 TRC 文件分析与读取变量设计
• 6.3.1 TRC 文件分析
• 6.3.2 TRC 文件读取操作设计思路
• 6.3.3 TRC 文件读取函数原型设计
• 6.4 快速原型控制台应用程序
• 6.4.1 Tilcon 软件开发系统
• 6.4.2 基于Tilcon 的应用程序主框架
• 6.4.3 控制台应用程序框架设计
• 6.4.4 控制台主界面设计
• 6.5 快速原型控制台功能模块
• 6.5.1 dSPACE 接口功能模块
• 6.5.2 地面检测功能模块
• 6.5.3 遥控遥测功能模块
• 6.6 小结
• 第七章 样例无人机快速原型半物理实时仿真
• 7.1 引言
• 7.2 半物理实时仿真试验环境
• 7.3 快速原型半物理试验验证
• 7.3.1 控制参数调整与历史曲线功能验证
• 7.3.2 飞行任务管理与航迹显示功能验证
• 7.4 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 本文的主要工作
• 8.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的论文