小型化飞行控制计算机设计与实现

论文摘要

无人机飞行控制计算机是飞行控制系统的核心子系统,其硬件平台、软件平台作为飞行控制计算机的重要组成部分,对整个系统性能有着至关重要的影响。本文以某定型项目无人机为背景,对原有飞行控制计算机的硬件、软件进行改进设计,以适应飞行控制计算机小型化、高性能的发展趋势。论文首先分别介绍飞行控制计算机硬件、软件的组成及国内外发展现状。接着以实验室为研究背景,指出硬件设计与软件设计存在的不足。基于传统栈接式PC104总线体系的硬件框架造成飞行控制计算机不易维护、不易小型化等问题;基于传统RTKernel实时内核的软件框架造成飞行控制计算机不易扩展、不易移植等问题。根据系统的性能指标、设计要求及通用化要求,提出插板式、小型化的硬件方案设计和基于μC/OS-II实时内核的软件方案设计。文中阐述了沿用PC104总线构架、且仅使用3块插板的高集成度硬件设计,具体说明每一功能模块的接口电路设计,包括模拟量、离散量、串行通信、机箱、电磁兼容等设计。在原理设计及制板的基础上实现第一版小型化飞行控制计算机原理样机。通过一系列板级硬件测试及改进设计方案的提出,完成第二版的工程实现。此飞控计算机硬件平台可维护性好、体积更小、重量更轻、成本更低、通用化更好。软件设计基于已完成的硬件设计,包括硬件功能模块的相关驱动程序设计,以及基于μC/OS-II实时内核的飞控软件移植。具体分析μC/OS-II实时内核的移植原理,探讨实现整个飞控软件移植的相关技术。此飞控计算机软件平台实时性好、可移植性好、利于软件同步维护及扩展需求。最后搭建半物理实时仿真系统,通过小型化飞行控制计算机、实时仿真设备及综合测试软件的相互通信,完成集成测试及仿真试验。对实验数据和结果进行分析、对比,论证了硬件设计方案、软件设计方案的可行性,验证了硬件设计、软件设计的正确性。实现本文的工程化目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 飞行控制系统
• 1.3 飞行控制计算机
• 1.3.1 硬件组成
• 1.3.2 软件组成
• 1.3.3 硬件发展现状
• 1.3.4 软件发展现状
• 1.4 研究背景
• 1.4.1 PC104 总线体系结构
• 1.4.2 嵌入式软件实时内核
• 1.5 论文章节安排
• 第二章 小型化飞行控制计算机总体框架设计
• 2.1 系统总体设计
• 2.1.1 总体设计要求
• 2.1.2 通用化设计
• 2.2 硬件方案设计
• 2.2.1 硬件资源需求
• 2.2.2 硬件结构设计
• 2.2.3 板卡方案设计
• 2.3 软件方案设计
• 2.3.1 飞控软件框架
• 2.3.2 驱动程序设计
• 2.3.3 软件移植设计
• 2.4 小结
• 第三章 小型化飞行控制计算机硬件设计
• 3.1 复合插板设计
• 3.1.1 CPU 模块背板设计
• 3.1.2 扩展4 路DA 设计
• 3.1.3 扩展8 路串口设计
• 3.1.4 GPS 模块设计
• 3.2 模拟插板设计
• 3.2.1 AD 模块背板设计
• 3.2.2 模拟量输入调理电路
• 3.2.3 模拟量输出调理电路
• 3.2.4 频率/电压转换电路
• 3.3 离散插板设计
• 3.3.1 离散量输入隔离电路
• 3.3.2 离散量输出隔离电路
• 3.3.3 电源转换模块设计
• 3.4 底板设计
• 3.5 机箱设计
• 3.6 抗干扰性设计
• 3.7 小结
• 第四章 小型化飞行控制计算机硬件实现
• 4.1 硬件实现
• 4.1.1 第一版原理样机实现
• 4.1.2 改进设计及再版实现
• 4.1.3 硬件设计结果对比
• 4.2 硬件测试
• 4.2.1 板级测试概述
• 4.2.2 模拟量板级测试
• 4.2.3 离散量板级测试
• 4.2.4 串行口板级测试
• 4.2.5 F/V 变换电路测试
• 4.2.6 遇到问题及解决办法
• 4.3 小结
• 第五章 小型化飞行控制计算机软件设计
• 5.1 驱动程序设计
• 5.1.1 模拟量驱动设计
• 5.1.2 离散量驱动设计
• 5.1.3 串行口驱动设计
• 5.2 实时内核移植
• 5.2.1 μC/OS-II 内核移植条件
• 5.2.2 μC/OS-II 内核移植原理
• 5.3 飞控软件移植
• 5.3.1 飞控软件相关设计
• 5.3.2 面向386EX 的移植
• 5.3.3 面向486DX 的移植
• 5.4 小结
• 第六章 系统集成测试与仿真
• 6.1 半物理实时仿真试验环境
• 6.1.1 仿真试验系统结构
• 6.1.2 地面综合测试软件
• 6.2 集成测试与仿真
• 6.2.1 模拟量集成测试
• 6.2.2 离散量集成测试
• 6.2.3 串行口集成测试
• 6.2.4 系统仿真试验
• 6.3 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的论文