基于SCADE的无人机飞行控制系统软件设计

论文摘要

无人驾驶飞机已经广泛应用于国防和民用上。机载嵌入式系统开发面临着越来越严峻的挑战,主要体现在开发周期要求越来越短,而对质量的要求越来越高。无人机飞行控制软件对整个飞行控制系统起着很重要的作用。传统的飞行软件通常采用手工编程来实现,不但浪费了大量的时间而且编写代码的可靠性很低。为了解决传统的手工编写代码的不足,寻求更有效的软件设计方法,本文引入了一种高安全性的应用开发环境SCADE（Safety-Critical Application Development Environment）,开发无人机飞行控制系统软件。本文首先给出了无人机飞行控制系统软件需求分析,对飞行控制系统软件各个部分功能进行了分析,并绘制了飞行控制系统软件的总体设计流程图和给出了SCADE将要进行的开发工作。其次介绍了SCADE软件的理论背景和关键概念和SCADE软件可视化的建模方法。再次在了解无人机飞行控制系统原理的基础上,对整个飞行控制系统软件模块按照功能进行划分。根据机载软件的中的串口通讯模块、传感器管理模块、人工遥控模块和故障处理模块的需求分析,在SCADE环境下完成这些模块的搭建。对搭建模型进行高安全性C代码生成后,分别对生成代码和手工代码进行安全性测试和执行效率测试,通过对比验证SCADE软件生成代码的优越性。最后进行静态测试和动态测试,验证了采用SCADE设计飞行控制系统软件的正确性。这种开发的方法实现了软件开发的自动化,节约了开发成本和开发时间,且其生成代码具有很高的执行效率,并具有较高的安全性,满足无人机系统软件开发的高安全性要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本文研究的背景
• 1.2.1 嵌入式软件安全性和可靠性
• 1.2.2 无人机软件开发的安全性要求
• 1.3 传统的软件设计方法与基于SCADE 软件开发方法的比较
• 1.4 国内外现状分析
• 1.4.1 国外现状分析
• 1.4.2 国内现状分析
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 无人机软件的需求和总体设计
• 2.1 飞行控制系统需求分析
• 2.2 飞行控制系统软件的总体结构和功能
• 2.3 飞行控制系统软件总体流程图
• 2.4 本章小结
• 第三章 SCADE 软件的介绍
• 3.1 SCADE 产生的背景
• 3.2 SCADE 软件的理论基础
• 3.3 SCADE 软件的开发环境
• 3.3.1 SCADE 数据类型
• 3.3.2 预定义操作符
• 3.3.3 状态机节点
• 3.3.4 安全状态机（Safe State Machine）
• 3.3.5 状态（State）
• 3.3.6 转移（Transition）
• 3.3.7 信号（Signals）
• 3.3.8 条件假设状态（Conditional pseudo states）
• 3.3.9 历史连接器（History Connectors）
• 3.4 仿真验证
• 3.5 代码生成
• 3.5.1 代码自动生成原理
• 3.5.2 SCADE 代码生成过程
• 3.6 SCADE 软件与DO-1788 标准
• 3.7 本章小结
• 第四章 无人机飞行控制系统软件的设计和实现
• 4.1 串口通讯模块的设计和实现
• 4.1.1 串口通讯模块的需求
• 4.1.2 串口通讯模块解决的关键问题
• 4.1.3 串口通讯模块在SCADE 环境下的实现
• 4.2 传感器管理模块的设计和实现
• 4.2.1 传感器数据管理软件的设计
• 4.2.2 时钟控制模块的设计
• 4.2.3 信息源管理模块的设计
• 4.2.4 内回路和外回路信号管理的设计
• 4.2.5 传感器数据管理模块的实现
• 4.3 人工遥控模块的设计和实现
• 4.3.1 人工遥控模块的需求分析
• 4.3.2 地面滑跑段的设计和实现
• 4.3.3 指令导航和切入导航段的设计和实现
• 4.4 故障处理模块的设计和实现
• 4.5 本章小结
• 第五章 代码的自动生成与测试
• 5.1 生成代码的配置过程
• 5.2 生成代码的测试
• 5.2.1 生成代码的执行效率测试
• 5.2.2 生成代码的安全性测试
• 5.3 本章小结
• 第六章 实验验证
• 6.1 实验的硬件环境
• 6.2 静态测试
• 6.2.1 串口通讯模块的测试
• 6.2.2 传感器管理模块的测试
• 6.2.3 故障处理模块的测试
• 6.3 动态测试
• 6.3.1 SCADE 环境下的仿真验证
• 6.3.2 仿真试验结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 课题完成的总结
• 7.2 后续工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间论文发表情况