基于qnx的無(wú)人直升機(jī)飛行控制平臺(tái)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及飛行控制平臺(tái)系統(tǒng)，尤其涉及一種無(wú)人直升飛機(jī)的飛行控制平臺(tái)系 統(tǒng)。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003] 無(wú)人直升機(jī)是一個(gè)多學(xué)科交叉耦合的具有挑戰(zhàn)性的前沿研宄方向，涉及帶無(wú)人直 升機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、空氣動(dòng)力學(xué)、飛行動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)建模、傳感器數(shù)據(jù)融合、捷聯(lián)導(dǎo)航系統(tǒng)、嵌 入式系統(tǒng)等領(lǐng)域。一套完整的無(wú)人直升機(jī)控制平臺(tái)由航空電子系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、地面站系統(tǒng) 組成： 1.航空電子系統(tǒng)是無(wú)人直升機(jī)的基本組件，主要分為硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)至 少有一個(gè)MCU或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及相關(guān)的擴(kuò)展板組成，實(shí)現(xiàn)在線分析飛行數(shù)據(jù)、運(yùn)行控制算法、 與地面站通信、記錄必要的飛行數(shù)據(jù)。
[0004] 2.導(dǎo)航系統(tǒng)由航姿參考系統(tǒng)、位置參考系統(tǒng)組成，其中航姿參考系統(tǒng)向航空電子 系統(tǒng)提供飛行必要的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)，位置參考系統(tǒng)提供飛行器實(shí)際所在位置的相關(guān)信息。
[0005] 3.地面站系統(tǒng)由地面站軟件以及無(wú)線通訊設(shè)備組成，通過(guò)無(wú)線通訊設(shè)備與無(wú)人直 升機(jī)交互信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人直升機(jī)的。
[0006]目前無(wú)人直升機(jī)通常選取嵌入式計(jì)算機(jī)作為機(jī)載核心控制板，配合外擴(kuò)功能板組 成航空電子系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)有INS(inertialnavigationsystem，慣性導(dǎo)航 系統(tǒng)）和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由典型的三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、三軸磁力計(jì)組 成，能夠提供無(wú)人直升機(jī)的實(shí)際飛行姿態(tài)；GPS導(dǎo)航系統(tǒng)可提供無(wú)人直升機(jī)所在位置的經(jīng) 煒度、航速、高度等信息。
[0007] 在無(wú)人直升機(jī)領(lǐng)域國(guó)外研宄起步早，取得較多研宄成果。其中斯坦福大學(xué)研制的 hummingbird直升機(jī)，采用差分截波相位全球定位系統(tǒng)作為導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)機(jī)體上的四個(gè) GPS接收機(jī)來(lái)檢測(cè)無(wú)人直升機(jī)的飛行姿態(tài)和航向信息，沒有使用慣性導(dǎo)航儀、高度計(jì)等繁雜 的設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)自主懸停。但其沒有使用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，無(wú)人直升機(jī)的動(dòng)態(tài)航姿動(dòng)態(tài)性能 較差，飛行控制律難以設(shè)計(jì)；MIT大學(xué)研制的Xcell-60無(wú)人直升機(jī)采用GPS、六自由度MU (慣性測(cè)量單元)、三軸磁力計(jì)組成導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自主懸停；新加坡國(guó)立大學(xué)先后研制的 HeLion和SheLion無(wú)人直升機(jī)，可實(shí)現(xiàn)基于視覺的軌跡跟蹤。航空電子系統(tǒng)由2塊PC104 的板卡、一個(gè)完整的MNAV模塊(集成MEMS技術(shù)的IMU模塊、磁力計(jì)、GPS接收機(jī))。
[0008] 國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)人直升機(jī)的研宄起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后，但也取得不少研宄成果。目前 許多高校和研宄所對(duì)無(wú)人直升機(jī)領(lǐng)域進(jìn)行深入的研宄，比如西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大 學(xué)、南京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)等。其中浙江大學(xué)李平教授指導(dǎo)的論文《微型無(wú)人直升機(jī) 飛行控制系統(tǒng)軟件仿真與系統(tǒng)設(shè)計(jì)》介紹了無(wú)人直升機(jī)的軟件仿真，該文主要結(jié)合各個(gè)數(shù) 學(xué)模型，對(duì)無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并且該無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)的姿態(tài)子系統(tǒng)、導(dǎo)航子系 統(tǒng)不完善，也沒能夠進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，但其對(duì)無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證取得較大的研宄成 果。
[0009]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明針對(duì)國(guó)內(nèi)無(wú)人直升機(jī)飛行控制平臺(tái)軟、硬件 的不足，提出基于QNX的無(wú)人直升機(jī)飛行控制平臺(tái)系統(tǒng)，同時(shí)也改進(jìn)系統(tǒng)軟件的管理架構(gòu)， 通過(guò)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)提高軟件的健壯性，保障無(wú)人直升機(jī)軟件系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定 性，同時(shí)也提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。
[0011] 本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 一種基于QNX的無(wú)人直升機(jī)飛行控制平臺(tái)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括機(jī)載航空電子系統(tǒng)、地 面站系統(tǒng)以及手動(dòng)控制系統(tǒng)；所述機(jī)載航空電子系統(tǒng)包括核心控制板、傳感器采集電路板、 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板、XTend無(wú)線模塊以及遙控信號(hào)接收器；其中，核心控制模塊為PC104嵌入 式計(jì)算機(jī)，所述PC104用于運(yùn)行QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并運(yùn)行機(jī)載軟件系統(tǒng)，所述機(jī)載軟件系 統(tǒng)包括姿態(tài)解算算法、數(shù)據(jù)融合算法、飛行控制算法；所述機(jī)載航空電子系統(tǒng)通過(guò)遙控信號(hào) 接收器、XTend無(wú)線模塊分別與所述手動(dòng)控制系統(tǒng)、所述地面站系統(tǒng)通訊，獲取手動(dòng)控制系 統(tǒng)的控制信號(hào)、地面站系統(tǒng)的控制命令以及將實(shí)時(shí)的飛行位置姿態(tài)等數(shù)據(jù)發(fā)送到地面站系 統(tǒng)，以供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人直升機(jī)的飛行狀態(tài)；所述核心控制板與傳感器采集電路板的MCU通 訊，獲取無(wú)人直升機(jī)的實(shí)時(shí)飛行參數(shù)數(shù)據(jù)；核心控制板與舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板的MCU通訊，獲取 手動(dòng)控制系統(tǒng)的遙控器信號(hào)，同時(shí)將無(wú)人直升機(jī)的舵機(jī)控制信號(hào)輸出到各個(gè)舵機(jī)，以控制 所述無(wú)人直升機(jī)。
[0012] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述核心控制板通過(guò)串行通信拓展板接收GPS接收機(jī) 的數(shù)據(jù)；所述機(jī)載航空電子系統(tǒng)還包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS，所述軟件系統(tǒng)還包括基于拓展 卡爾曼濾波EKF算法的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)EKF算法將INS測(cè)得的姿態(tài)數(shù)據(jù)和GPS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到更加準(zhǔn)確的無(wú)人直升機(jī)飛行控制平臺(tái)的位置數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)。
[0013] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述傳感器采集電路板包括MCU、慣性測(cè)量單元MU、 磁力計(jì)和氣壓計(jì)；其中，所述MU采用SPI通信協(xié)議，氣壓計(jì)采用I2C通信協(xié)議，磁力計(jì)采用 TTL電平的串口通信協(xié)議。
[0014] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板包括MCU和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其中，所 述舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括可恢復(fù)型保險(xiǎn)絲保護(hù)舵機(jī)和電源，同時(shí)采用光耦隔離技術(shù)，隔離外接設(shè) 備對(duì)MCU的干擾。
[0015] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述機(jī)載軟件系統(tǒng)基于QNXNeutrino實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開 發(fā)，使用多線程系統(tǒng)框架，執(zhí)行多任務(wù)；為了有效的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，采用了基于PIOS架構(gòu)的 層次化、模塊化結(jié)構(gòu)，對(duì)無(wú)人機(jī)的各種操作通過(guò)各個(gè)模塊來(lái)組織。
[0016] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述地面站包括前臺(tái)、后臺(tái)和內(nèi)核；其中，前臺(tái)直接與 終端用戶交互，主要為用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單易用、界面友好的圖形化界，后臺(tái)用于數(shù)據(jù)傳輸， 通過(guò)無(wú)線信道與機(jī)載軟件模塊通訊。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提出的基于QNX的無(wú)人 直升機(jī)飛行控制平臺(tái)系統(tǒng)，解決了目前無(wú)人直升機(jī)飛行控制平臺(tái)搭載的處理器的運(yùn)算速度 較慢、整體體積過(guò)大、運(yùn)行功耗較高、機(jī)載軟件控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能、安全性能缺乏保障的 問(wèn)題。采用實(shí)時(shí)性能非常好的QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，搭載高性能低功耗的PC104核心控制板， 運(yùn)用姿態(tài)解算算法、數(shù)據(jù)融合算法、飛行控制算法，實(shí)現(xiàn)自主無(wú)人直升機(jī)飛行控制平臺(tái)的自 主飛行。同時(shí)也改進(jìn)系統(tǒng)軟件的管理架構(gòu)，通過(guò)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)提高軟件的健壯性，保障無(wú) 人直升機(jī)軟件系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)也提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。
[0017]
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的基于QNX的無(wú)人直升機(jī)控制平臺(tái)系統(tǒng)示意圖； 圖2是本發(fā)明的無(wú)人直升機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖； 圖3是傳感器采集電路的電路原理圖； 圖4是遙控信號(hào)與舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電路原理圖； 圖5是機(jī)載軟件模塊間的數(shù)據(jù)共享示意圖； 圖6是機(jī)載軟件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是地面站層次結(jié)構(gòu)圖。
[0019]
【具體實(shí)施方式】
[0020] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0021] 本發(fā)明提供了一套完整的基于QNX的無(wú)人直升機(jī)控制平臺(tái)，并為無(wú)人直升機(jī)控制 系統(tǒng)制定一套基于EKF(拓展卡爾曼濾波)算法的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。INS/GPS組合導(dǎo) 航系統(tǒng)通過(guò)EKF算法將INS(慣性導(dǎo)航系統(tǒng))測(cè)得的姿態(tài)數(shù)據(jù)(包括三軸陀螺儀數(shù)據(jù)、三軸加 速度計(jì)數(shù)據(jù)、三軸電子羅盤數(shù)據(jù)、氣壓計(jì)數(shù)據(jù))，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行融合， 得到更加準(zhǔn)確的無(wú)人直升機(jī)飛行控制平臺(tái)的位置數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，為無(wú)人直升機(jī)提供一套 廉價(jià)的位置、姿態(tài)參考系統(tǒng)。針對(duì)無(wú)人直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)飛行控制律，包括俯仰控制、 橫滾控制、航向控制、定高控制、定點(diǎn)控制。
[0022] 本發(fā)明的無(wú)人直升機(jī)飛行控制平臺(tái)系統(tǒng)，如附圖1所示，由機(jī)載航空電子系統(tǒng)、地 面站系統(tǒng)以及手動(dòng)控制系統(tǒng)組成，該控制平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)無(wú)線電遙控直升機(jī)進(jìn)行控制以及接收 無(wú)線電遙控直升機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。其中，機(jī)載航空電子系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線設(shè)備(遙控接收機(jī)、XTend 無(wú)線模塊）分別與手動(dòng)控制系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)通訊，獲取手動(dòng)控制系統(tǒng)的控制信號(hào)、地面站 系統(tǒng)的控制命令。同時(shí)，將無(wú)人直升機(jī)的飛行參數(shù)傳回地面站系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人直升 機(jī)的飛行狀態(tài)。航空電子系統(tǒng)通過(guò)控制無(wú)線電遙控直升機(jī)的舵機(jī)，改變無(wú)線電遙控直升機(jī) 的飛行動(dòng)作，再通過(guò)機(jī)載的INS(慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）測(cè)量無(wú)線電遙控直升機(jī)的實(shí)際姿態(tài)數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)航空電子系統(tǒng)控制無(wú)線電遙控直升機(jī)。
[0023] 航空電子系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，其中硬件系統(tǒng)分為核心控制模塊與外擴(kuò) 模塊，核心控制模塊為PX104嵌入式計(jì)算機(jī)，外擴(kuò)模塊包括位姿單元、通訊單元、控制信號(hào) 輸入輸出單元；軟件系統(tǒng)包括姿態(tài)解算算法、飛行控制算法、地面站軟件。
[0024] 對(duì)于小型為人直升機(jī)飛行控制器，目前主要采用基于PC104的嵌入式計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)。PC104協(xié)會(huì)針對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域嵌入式應(yīng)用制定的一種嵌入式計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。PC104標(biāo)準(zhǔn)采 用針套式連接器，可以在強(qiáng)干擾和振動(dòng)的環(huán)境保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕菫橐恍┨厥馇度?式計(jì)算環(huán)境而設(shè)計(jì)，這些特點(diǎn)特別適合于無(wú)人直升機(jī)飛行器。PC104的這種連接方式也集成 了其他模塊，比如圖像數(shù)據(jù)采集模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換板、串行通信擴(kuò)展板、電源板等，集成過(guò)程 中不需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新配置，因而有更好的兼容性。
[0025] 無(wú)人直升機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖如附圖2所示。核心控制板PC104運(yùn)行QNXNeutrino實(shí) 時(shí)操作系統(tǒng)，并運(yùn)行機(jī)載軟件系統(tǒng)。核心控制板與傳感器采集電路板的MCU(STM32F405)通 訊，獲取無(wú)線電遙控直升機(jī)的實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)（ADI16355為MU即慣性測(cè)量單元、HMR3000為 電子羅盤、MS5611為氣壓計(jì));核心控制板與遙控信號(hào)和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板的MCU(STM32F103) 通訊，獲取手動(dòng)控制系統(tǒng)的遙控器信號(hào)，同時(shí)將無(wú)線電遙控直升機(jī)的舵機(jī)控制信號(hào)輸出到 各個(gè)舵機(jī)；核心控制板通過(guò)Xtend無(wú)線設(shè)備與地面站系統(tǒng)通訊，獲取地面站系統(tǒng)的控制命 令以及將實(shí)時(shí)的飛行位置姿態(tài)等數(shù)據(jù)發(fā)送到地面站系統(tǒng)，以供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人直升機(jī)的飛行 狀態(tài)；核心控制板通過(guò)串行通信拓展板接收GPS接收機(jī)的數(shù)據(jù)，并預(yù)留兩路