小型无人机飞行控制与管理软件设计

发布时间：2017-04-15 09:18

  本文关键词：小型无人机飞行控制与管理软件设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着无人机用途日渐广泛、功能日趋复杂，飞行环境充满了不确定性和多变性，作为其核心的飞行控制与管理软件对可靠性和实时性提出更为严格的要求。传统的飞行控制与管理软件设计方案已无法满足无人机系统日益增长的性能需求，迫切需要引入实时多任务操作系统对飞行控制与管理软件进行设计与管理。本文以VxWorks操作系统为核心，，设计开发了一套适用于小型无人机的飞行控制与管理软件，在完成飞行控制和飞行管理功能的基础上，着眼于软件的实时性和可靠性设计，提高飞行控制与管理软件的实时性和健壮性。 首先，根据飞行控制与管理软件的功能需求，结合VxWorks操作系统特点提出软件的总体设计方案，完成软件的整体结构设计及功能模块划分，解决了VxWorks操作系统移植、设备驱动程序的设计与标准化封装、驱动注册等关键问题。 其次，在综合考虑飞行控制与管理软件功能和性能要求的基础上，设计开发了传感器管理、故障管理、导航管理、控制管理、执行机构管理等功能模块，并依据VxWorks多任务运行机制，完成了任务划分、优先级分配和任务间的交互设计。 再次，对FlightGear软件包进行了二次开发，设计了飞行控制与管理系统与FlightGear的串行通信接口，实现了基于FlightGear内置动力学模型驱动和基于仿真机数据驱动的两种三维可视化仿真验证方案。 最后，对软件进行了性能测试，并完成了自主、指令、人工三种飞行模式下的半物理飞行仿真功能验证，结果表明该飞行控制与管理软件达到了最初的功能设计要求，具有良好的实时性和可靠性。
【关键词】：小型无人机 飞行控制与管理软件 VxWorks 实时性 FlightGear 可视化
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V279;V249
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-14
• 注释表14-15
• 第一章 绪论15-21
• 1.1 引言15
• 1.2 飞行控制与管理软件开发方案15-17
• 1.3 国内外研究现状17-19
• 1.3.1 飞行控制与管理系统现状17-18
• 1.3.2 VxWorks 操作系统使用现状18-19
• 1.4 本文研究内容以及章节安排19-21
• 第二章 飞行控制与管理软件总体设计21-29
• 2.1 引言21
• 2.2 飞行控制与管理软件需求分析21-23
• 2.2.1 功能分析21-22
• 2.2.2 性能分析22-23
• 2.3 飞行控制与管理系统组成23-24
• 2.4 飞行控制与管理软件运行环境24-25
• 2.4.1 硬件平台及资源分配24
• 2.4.2 软件运行环境24-25
• 2.5 软件架构设计25-26
• 2.6 功能模块划分26-28
• 2.7 本章小结28-29
• 第三章 飞行控制与管理软件运行环境设计29-38
• 3.1 引言29
• 3.2 操作系统层设计29-32
• 3.2.1 VxWorks 移植29-30
• 3.2.2 VxWorks 裁剪30
• 3.2.3 VxWorks 启动优化30-32
• 3.3 设备驱动层设计32-37
• 3.3.1 串口设备驱动设计34-36
• 3.3.2 字符设备驱动设计36-37
• 3.4 开发调试平台构建37
• 3.5 本章小结37-38
• 第四章 飞行控制与管理软件功能模块设计38-71
• 4.1 引言38
• 4.2 传感器管理模块设计38-44
• 4.2.1 数据采集38-39
• 4.2.2 数据预处理39-41
• 4.2.3 数据融合41-43
• 4.2.4 多源信息融合43-44
• 4.3 故障管理模块设计44-56
• 4.3.1 故障分类44-45
• 4.3.2 故障定义45-46
• 4.3.3 故障检测方法46-48
• 4.3.4 故障处置策略设计48-56
• 4.4 导航管理模块设计56-64
• 4.4.1 自主导航模块56-62
• 4.4.2 指令导航模块62-64
• 4.4.3 人工导航模块64
• 4.5 控制管理模块设计64-66
• 4.5.1 纵向控制律64-65
• 4.5.2 横侧向控制律65-66
• 4.6 执行机构管理模块设计66-67
• 4.7 人机交互管理模块设计67-69
• 4.7.1 遥控接收模块68
• 4.7.2 遥测发送模块68-69
• 4.7.3 半双工通信频率保障策略69
• 4.8 本章小结69-71
• 第五章 飞行控制与管理软件多任务调度设计71-82
• 5.1 引言71
• 5.2 多任务划分71-73
• 5.2.1 任务划分规则71
• 5.2.2 软件任务划分71-73
• 5.3 多任务实时调度策略73-74
• 5.3.1 VxWorks 任务调度算法73
• 5.3.2 软件任务调度策略73-74
• 5.4 飞行控制与管理软件任务优先级分配74
• 5.5 飞行控制与管理软件任务交互设计74-78
• 5.5.1 任务通信机制74-75
• 5.5.2 临界资源保护75-77
• 5.5.3 任务同步与互斥设计77-78
• 5.6 飞行控制与管理软件任务调度时序分析78-81
• 5.6.1 VxWorks 任务运行状态78-79
• 5.6.2 飞行控制与管理软件任务动态运行机制79-81
• 5.7 本章小结81-82
• 第六章 三维视景仿真验证环境设计82-89
• 6.1 引言82
• 6.2 基于 FlightGear 动力学模型的视景仿真环境设计82-87
• 6.2.1 仿真环境设计82-83
• 6.2.2 通信协议的定制83-85
• 6.2.3 样例无人机的属性配置85-87
• 6.3 基于仿真机的视景仿真环境设计87-88
• 6.4 本章小结88-89
• 第七章 软件测试与仿真验证89-101
• 7.1 引言89
• 7.2 半物理飞行仿真环境实物连接图89
• 7.3 飞行控制与管理软件性能测试89-93
• 7.3.1 任务实时调度测试89-91
• 7.3.2 任务负荷测试91-93
• 7.3.3 任务堆栈使用情况93
• 7.4 飞行控制与管理软件功能验证93-100
• 7.4.1 人工导航功能验证94
• 7.4.2 指令导航功能验证94-96
• 7.4.3 自主导航功能验证96-97
• 7.4.4 故障处置功能验证97-100
• 7.5 本章小结100-101
• 第八章 总结与展望101-103
• 8.1 课题研究工作总结101-102
• 8.2 后续工作展望102-103
• 参考文献103-106
• 致谢106-107
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文107

【参考文献】

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