摘 要: 組建了一種基于嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks平臺的無人直升機(jī)控制系統(tǒng),實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無人直升機(jī)飛行狀態(tài)信息傳輸,接收地面基站命令后完成自主定點飛行任務(wù)。主要利用基于優(yōu)先級的消息隊列方法和嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks的信號量與看門狗定時功能實現(xiàn)多任務(wù)間調(diào)度,獲得飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)向地面基站傳輸與自主定點飛行的同步。通過實驗飛行,該系統(tǒng)的正確性與可靠性得到了驗證。
關(guān)鍵詞: 無人直升機(jī),VxWorks,任務(wù),消息隊列
1 前言
自主飛行無人直升機(jī)的研究是現(xiàn)今多學(xué)科交叉研究的熱點與難點。無人直升機(jī)在炮兵射擊訓(xùn)練、戰(zhàn)場監(jiān)視、輸電線路巡視,森林火災(zāi)狀況觀測等軍用與民用方面都有著廣泛的作用。自從1917年英國研制出世界上第一架無人機(jī),無人機(jī)已經(jīng)經(jīng)歷了無人靶機(jī)、預(yù)編程序控制無人偵察機(jī)、指令遙控?zé)o人偵察機(jī)、復(fù)合控制和自主飛行多用途無人機(jī)的發(fā)展過程,現(xiàn)今無人直升機(jī)研究在于自主飛行控制?,F(xiàn)今無人直升機(jī)任務(wù)多樣化和遠(yuǎn)距離作業(yè)需求,對無人直升機(jī)遠(yuǎn)距離通信和控制提出了更高要求【1】。
在無人直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計中采用實時操作系統(tǒng)是現(xiàn)今研究的重點與熱點。VxWorks是專門為實時嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的32位操作系統(tǒng),它高性能內(nèi)核和友好用戶開發(fā)界面使得VxWorks成為目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域使用最廣泛、市場占有率最高的系統(tǒng)。把VxWorks操作系統(tǒng)應(yīng)用到機(jī)載控制計算機(jī)中,可以滿足無人直升機(jī)信息處理的實時性要求。機(jī)載控制計算機(jī)需要控制無人直升機(jī)上多個設(shè)備,同時還需要與地面基站系統(tǒng)通信,VxWorks操作系統(tǒng)良好的多任務(wù)調(diào)度功能可以滿足多任務(wù)需求。同時VxWorks操作系統(tǒng)具備體積小、可裁減和支持多種CPU的高性能【2】,使得無人直升機(jī)控制系統(tǒng)在硬件選取上具備很高的靈活性。
VxWorks操作系統(tǒng)提供了多網(wǎng)口的源代碼驅(qū)動,支持TCP與UDP協(xié)議、遠(yuǎn)程調(diào)用、遠(yuǎn)程文件訪問、文件輸出、遠(yuǎn)程命令執(zhí)行等強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)通信功能,同時它的開發(fā)工具Tornado界面友好,調(diào)試方便【3】。這些特點縮短了控制系統(tǒng)的開發(fā)周期,達(dá)到了預(yù)期的效果。
系統(tǒng)設(shè)計
1.1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
無人直升機(jī)控制系統(tǒng)包括以下七個部分:無人直升機(jī)、機(jī)載控制計算機(jī)、機(jī)載平衡模塊、機(jī)載導(dǎo)航模塊、手動遙控模塊、地面基站與其他機(jī)載模塊,其他機(jī)載模塊根據(jù)系統(tǒng)擴(kuò)展的需要進(jìn)行添加【4】。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖見圖一
圖一 無人直升機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
通過手動遙控使無人直升機(jī)起飛,起飛后遙控器觸動多路選擇器,把無人直升機(jī)的控制權(quán)交與機(jī)載控制計算機(jī)。機(jī)載控制計算機(jī)開始傳輸飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)給地面基站。地面基站發(fā)送自主飛行命令給機(jī)載控制計算機(jī)使得它啟動自主定點飛行任務(wù),控制無人直升機(jī)定點飛行,
飛行任務(wù)結(jié)束后返回狀態(tài)信息給地面基站。
1.2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
此無人直升機(jī)控制系統(tǒng)的控制對象是模型直升機(jī)JRVoyager GS R260, 機(jī)載導(dǎo)航模塊包括Crescent的GPS與Honeywell HMR3300型號的電子羅盤。機(jī)載控制計算機(jī)是由三星公司生產(chǎn)的16/32位RISC處理器S3C44B0X搭建的硬件平臺,控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖見圖二。
圖二 無人直升機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
圖二中由于S3C44B0X的UART單元提供了兩個獨(dú)立的異步串行I/O端口,每個端口都可以在DMA模式下工作,使得CPU和串行I/O口之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,另外GPS與電子羅盤提供的是標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口,這與S3C44B0X系統(tǒng)所定義的高低電平不同,所以需要通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232C來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于S3C44B0X片內(nèi)不帶以太網(wǎng)接口,所以選用RTL8039作為以太網(wǎng)接口芯片與地面基站控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。S3C44B0X根據(jù)內(nèi)部程序輸出5路PWM波控制無人直升機(jī)的5個舵機(jī),完成自主定點飛行任務(wù)。74LS128芯片作為多路選擇器,切換手動遙控模式與自主定點飛行模式。另外還擴(kuò)展大容量的外部寄存器,其中8MB的HY57V641620作為SDRAM存儲器存儲程序運(yùn)行中的中間數(shù)據(jù),2MB的SST39VF1601存儲器作為FLASH存儲源程序。
1.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
無人直升機(jī)控制系統(tǒng)的軟件包含四大部分:一是根據(jù)S3C44B0X重新配置VxWorks系統(tǒng)的BSP。二是基于優(yōu)先級的消息隊列實現(xiàn),消息隊列中包含飛行狀態(tài)信息與自主定點飛行信息。三是基于看門狗與信號量的多任務(wù)調(diào)度,實現(xiàn)自主定點飛行與實時飛行狀態(tài)信息傳輸?shù)墓δ?。四是基站控制軟件的設(shè)計。系統(tǒng)上電后初始化socket套接字,網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通后采用UDP協(xié)議通信。下面將著重介紹基于優(yōu)先級的消息隊列與基于信號量與看門狗的多任務(wù)調(diào)度。
2.3.1 基于優(yōu)先級的消息隊列
在控制系統(tǒng)中,不能因為執(zhí)行機(jī)載設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸命令而拒絕執(zhí)行地面基站的自主飛行命令。為解決這一問題,本控制系統(tǒng)建立了基于優(yōu)先級的消息隊列機(jī)制。系統(tǒng)在RAM中開辟一個區(qū)域用于建立消息隊列,隊列中指針指向的是各個信息的內(nèi)存塊地址。各個任務(wù)將根據(jù)這些指針指向的數(shù)據(jù)來進(jìn)行實際操作。
(1)基于優(yōu)先級的消息隊列方法。首先信息接收任務(wù)接收信息后根據(jù)信息頭地址內(nèi)容判斷信息優(yōu)先級,地面基站的自主飛行命令優(yōu)先級為最高,把它插入到消息隊列的隊列頭,而機(jī)載電子羅盤與GPS發(fā)送的數(shù)據(jù)信息優(yōu)先級低,按照時間順序排列在消息隊列的隊列尾。信息解釋任務(wù)從消息隊列頭逐一取出信息然后進(jìn)行處理。
(2)消息隊列的實現(xiàn)。通過單向鏈表來實現(xiàn)消息隊列的添加與刪除。每個鏈表元素是一個結(jié)構(gòu)體struct messageChain,結(jié)構(gòu)體包含頭指針pBuff與指向下一個元素的指針pNext。同時使用兩個全局變量直接表示鏈表頭與鏈表尾,一個全局變量表示鏈表長度,這
樣可以直接處理鏈表頭或者鏈表尾的內(nèi)容以簡化查找過程。
2.3.2 基于看門狗的多任務(wù)調(diào)度
VxWorks系統(tǒng)可以為每個任務(wù)設(shè)定特定的任務(wù)名與任務(wù)優(yōu)先級,系統(tǒng)支持256個優(yōu)先級。為了調(diào)試的方便,在本控制系統(tǒng)中設(shè)定的任務(wù)優(yōu)先級在60到100之間,這是因為由程序發(fā)起的任務(wù)優(yōu)先級要高于Tornado開發(fā)環(huán)境中shell發(fā)起sp的任務(wù)優(yōu)先級即小于100,同時也要低于系統(tǒng)任務(wù)的優(yōu)先級即大于60【5】??刂葡到y(tǒng)包含了信息接收任務(wù),信息解釋任務(wù),信息發(fā)送任務(wù),網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測任務(wù),定時輪詢?nèi)蝿?wù),自主飛行任務(wù)等多任務(wù)。流程圖見圖三。
圖三 任務(wù)調(diào)度流程圖
任務(wù)的操作使用的是VxWorks系統(tǒng)中的taskLib()與taskInfo()庫函數(shù)??撮T狗時鐘精確定時用到函數(shù)wdCreate(),wdStart()等,任務(wù)間的同步調(diào)度使用的是信號量,包括有二進(jìn)制信號量與計數(shù)信號量。信息接收任務(wù)把網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔凑崭叩蛢?yōu)先級在消息隊列中添加元素,并存放信息到特定的內(nèi)存塊中,然后啟動計數(shù)型的信號量,信號量的值對應(yīng)于當(dāng)前消息隊列中還沒有被執(zhí)行命令的個數(shù),每增加一個消息命令后,計數(shù)型信號量就釋放,消息解釋任務(wù)獲得釋放的信號量后從消息隊列頭獲得最應(yīng)被優(yōu)先執(zhí)行的命令,根據(jù)內(nèi)存中的首地址信息,調(diào)用相應(yīng)的執(zhí)行函數(shù)。如果判斷是無人直升機(jī)飛行狀態(tài)信息,調(diào)用信息發(fā)送任務(wù)把實時信息傳送給地面基站。如判斷是無人直升機(jī)自主飛行命令,則調(diào)用自主飛行任務(wù),在此任務(wù)中要定時查詢無人直升機(jī)飛行狀態(tài)信息并與命令中信息做比較,控制舵機(jī)動作以完成自主定點飛行任務(wù)。在定時查詢機(jī)載設(shè)備信息以確定飛行狀態(tài)時,用taskDelay()函數(shù)不能滿足精確定時的要求。VxWorks系統(tǒng)提供得看門狗它可以保證嚴(yán)格的定時,在調(diào)用自主飛行任務(wù)時創(chuàng)建看門狗。經(jīng)過1s的時間延時后運(yùn)行查詢無人直升機(jī)飛行狀態(tài)信息的函數(shù),比較信息后控制舵機(jī)動作,直到完成無人直升機(jī)的自主定點飛行任務(wù)后取消看門狗。切換到信息發(fā)送任務(wù),發(fā)送飛行狀態(tài)信息到地面基站監(jiān)控系統(tǒng)。
2.3.3 地面基站控制效果圖
軟件界面可以直觀的顯示控制系統(tǒng)效果,同時便于調(diào)試與觀察直升機(jī)的實際飛行狀況?;究刂栖浖?yīng)用VC++編譯器的套節(jié)字socket與基于信號量的多線程技術(shù)通過C++語言進(jìn)行編譯??刂菩Ч麍D中顯示無人直升機(jī)自主定點飛行時的實時狀態(tài)信息:當(dāng)前高度、設(shè)定高度、東西距離、南北距離、方位角、俯仰角、測滾角等。實現(xiàn)了良好的人機(jī)交互功能,是控制系統(tǒng)開發(fā)的必備平臺。地面基站控制效果圖見圖四
圖四 地面基站控制效果圖
2 結(jié)束語
本文對無人直升機(jī)控制系統(tǒng)從硬件與軟件兩個方面進(jìn)行了闡述,并應(yīng)用了先進(jìn)與高性能的實時操作系統(tǒng)VxWorks,通過VxWorks多任務(wù)調(diào)度時的快速切換響應(yīng)實現(xiàn)無人直升機(jī)的自主飛行。并且通過實際的多次實驗飛行與調(diào)試,實現(xiàn)了無人模型直升機(jī)自主飛行的任務(wù),取得了預(yù)期的效果。