基于实时操作系统的无人机飞行控制系统设计综述

Posted 2021-04-19 无人机

摘要：小型四旋翼无人机广泛应用在专业级航拍、农业植保、军事侦察、设备巡检等领域。目前飞行控制系统多采用前后台系统来实现，当系统规模较大，处理模块增多时，实时性很难得到保障。本文首先对无人机领域发展情况进行概述，其次详细阐述了无人机的外部结构、部件功能等硬件组成，最后对无人机通过实时操作系统设计后的飞控系统控进行分析。通过分析可知，经过实时操作系统设计的飞行控制系统能够满足飞行要求，并具有一定的实时性、可靠性。

0 引言

无人机是一种由动力驱动，无人驾驶且重复使用的航空器简称。其体积小、成本低，可装配制导系统、机载雷达系统、传感器及摄像机等设备，用途广泛并且不易造成人员伤亡［1］。无人机飞行控制系统是一个多任务系统, 要求不仅能够采集传感器数据、进行飞控/导航计算、驱动执行机构等, 还要求可靠性高、实时性强［2］。由于传统无人机所运用的数据复杂且繁多，使其在操作上灵活度不高，不具有实时性。实时操作系统会简化复杂的数据，将数据集合化，条理化。如将实时操作系统应用于无人机中，能够完善功能检查，功能维护，做到实时性，高灵活性，并延长无人机的使用寿命。近年来学术界在性能、应用等方面对搭载了实时操作系统的无人机进行了深入研究，极大地推动了无人机的发展。

文献［4］从机构设计和飞行控制两方面介绍了微小型四旋翼飞行器的发展现状，叙述了小型四旋翼飞行器的发展技术路线。在飞控系统的原理和功能层面，文献［3］主要利用UML例图来系统地描述了飞控系统的构造，并从整体、静态、动态角度刻画飞控系统的性能指标；文献［5］阐述了飞控系统的基本原理并引入实时内核，对调度管理和通信机制给出了详细设计和分析。本文将回顾并总结在无人机领域的发展问题，并对无人机的飞控系统设计进行综述。

1 无人机整体概述

1.1 发展背景及发展历程

无人驾驶飞机是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空器，简称无人机，英文上常用unmanned aerial vehicle表示，缩写为UAN。早在1907年，Bruet—Richet就让世界上第一架四旋翼飞行器“Gyroplane No．1”升上了天空［6］。但由于构造复杂、不易操纵等原因，大型四旋翼飞行器的发展一直都比较缓慢。20世纪60、70年代，随着美苏之间冷战形式的加剧，无人机得到了广泛应用。美国将无人机用语军事侦察，情报获取，无线电干扰等军用属性。近年来，随着新型材料以及飞行控制等技术的进步，无人机逐渐向微小型、实时性、可操作性强的方向过渡。微小型四旋翼飞行器的迅速发展，逐渐成为人们关注的焦点。

1.2 无人机应用领域

无人机在军用领域及民用领域都得到广泛应用。在军用领域，可用作战术无人侦察机执行侦察搜索［7］、无人战斗机、训练飞行员的靶机等。在民用领域，利用它易操作、实时性好等特点，广泛运用于农业、种植业、林牧业、旅游业、拯救濒危物种等各个领域。

2 无人机硬件结构

2.1 无人机结构

无人机的动力组成主要为无刷电机、螺旋桨、电子调速器等，控制系统主要由飞行控制器、遥控器等组成，动力储备由电池、充电器等组成。其结构组成示意图如图1所示。

图1

2.2 飞行控制系统

无人机飞行控制系统是指能够稳定无人机飞行姿态，并能控制无人机自主或半自主飞行的控制系统。

无人机飞控主要由陀螺仪，加速计，地磁感应，气压传感器，超声波传感器，光流传感器，GPS模块，以及控制电路组成［9］。无人机飞控内含测量飞行控制所需的测量元件及利用输出信号驱动旋翼转动的执行机构等。

无人机飞控可将遥控器的输入命令对应电机动力的输出大小，并将飞控感知量与期望姿态产生误差进行对比，通过PID进行调节。利用地面站查看实时飞行数据，实现控制参数的在线修改。根据飞行的指令和要求，结合空置率给出控制信号并控制执行机构，改变飞行器的姿态和位置。最终达到自动保持飞机的正常飞行姿态的目的。

2.3 电子调速器

电子调速器（ESC）是一个控制发电机转速的控制装置。它根据接受的电信号，通过控制器和执行器来改变输出量的大小。

无人机电调中含有速度感受元件、驱动执行器执行的控制器及相关执行器、微处理器、驱动电路、无刷电机、等装置。

无人机电调可分析受外界干扰的输出量与标准输入量之间的差距，从而进行调节来适应环境的变化，达到输出稳定电压、调整电机转速的目的，使无人机正常运行。

2.4 电机

无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品[10]。它可以通过改变输入电流的交变频率和波形，在绕组线圈周围形成磁场，进而驱动转子的永磁磁钢转动。

相较于有刷电机，无刷电机在运转时不会产生电火花，减少了电火花对遥控无线电设备的干扰。同时减小了运转时产生的摩擦力，保证了运行顺畅，有利于模型运行的稳定性。从长远来看，无刷电机的使用寿命长，维护成本较低，能够更持久的满足运行的需要。

3 基于实时操作系统的无人机飞控系统的设计

3.1 实时操作系统概述

3.1.1 选用实时操作系统的必要性

实时是一种用物理时钟衡量的时间概念，它要求系统必须在所指定的时间段内完成计算、处理、执行等任务。

我们在那里立了好久，俯视着那没有肉的脸上令人莫测的龇牙咧嘴的样子。那尸体躺在那里，显出一度是拥抱的姿势，但那比爱情更能持久、那战胜了爱情的熬煎的永恒的长眠已经使他驯服了。他所遗留下来的肉体已在破烂的睡衣下腐烂，跟他躺着的木床粘在一起，难分难解了。在他身上和他身旁的枕上，均匀地覆盖着一层长年累月积下来的灰尘。

实时操作系统是指能在规定的时间内做出有界限的、能预测的响应的计算系统。相较于之前不含有实时操作系统的设备而言，装有实时操作系统的设备能够快速处理复杂的代码，准确的进行任务划分，满足生产的需要。因此，实时操作系统被广泛应用于无人机嵌入式设备当中，这就使得嵌入式设备具有实时性、任务并发性、可分配和可反馈性。

3.1.2 无人机飞控系统的作用，流程

一套完整的飞控系统软件应该具有飞行模式切换；数据采集；姿态解算与控制计算；与导航及地面站的通信；接收GPS等导航信息；控制输出量等功能［11］。完成这一系列的功能模块需要飞控系统的合理调度。为了满足实时性和可调度性等要求，飞控系统利用调度算法对复杂的任务进行合理的划分，并赋予不同的任务以不同且唯一的优先级（优先级的数值越小，优先级别越高），优先级越高的任务首先获得CPU的控制权，并将其他优先级低的任务放置于就绪队列中，当优先级高的任务完成后，飞控系统内核会继续调度在就绪队列中优先级较高的任务并进行处理，分配CPU控制权。直到运行完所有任务。

改革创新是水利事业发展的源泉和动力。10年来，中央财政在加大投入的同时，发挥职能作用，积极完善政策，推动水利重点领域改革破冰前行。

例如，在无人机嵌入式设备中，控制无人机运动速度、运动航向、姿态变化、通信导航等硬式任务，需要很高实时性的任务，会被赋予较高优先级；而相比之下，控制荧光灯发光、周期性采集数据等任务则属于软式任务，其要求的实时性不高，如果失败，不会对系统造成较大影响，则会被赋予较低优先级而滞后运行。

通过管理任务来管理系统的所有的应用任务，完成对各个任务进行全局调度［12］。

3.2 基于实时操作系统的飞控系统分析

3.2.1 功能模块分析

通过总结“匿名”无人机中飞行控制系统的代码，对无人机所涉及到的函数进行功能模块分析。

表1

周期（ms） 函数 功能1 ANO_DT_Data_Exchange 数传通信定时调用2 MPU6050_Read 读取mpu6轴传感器2 MPU6050_Data_Prepare mpu6轴传感器数据处理2 IMUupdate IMU姿态解算2 CTRL_1 内环角速度控制2 RC_Duty 遥控器通道数据处理5 CTRL_2 外环角度控制10 ANO_AK8975_Read 获取电子罗盘数据20 Parameter_Save PID参数配置50 mode_check 飞行模式50 LED_Duty LED灯控制50 Ultra_Duty 超声波高度计控制

由此可见，每个周期内需要处理的主要工作有：

（1）数据传输：飞行控制系统与地面站交互。

（2）传感器数据处理：包括六轴传感器、磁罗盘、高度计等。六轴传感器测量飞行器各个坐标轴分量上的速度和加速度，磁罗盘测量机头指向方向，高度计测量当前无人机高度。

（3）姿态解算：解算当前的无人机在三维空间中的姿态及指向，但并不处理速度，后者由六轴传感器直接测出。

本研究将调查对象锁定为在南宁动物园游玩的家庭型游客。为保证被调查对象符合研究条件，研究者将调查地点定于南宁动物园大门前，被调查对象必须是从园内游玩出园的家庭型游客，问卷由被调查者独立完成，并通过访谈获得被调查者的信息。调查于2017年10月24日开始至11月6日结束，共发放调查问卷220份，收回有效问卷214份，有效问卷回收率97%。

（4）飞行控制：外环控制将当前无人机角度（来源于姿态解算）和期望的无人机角度（来源于遥控器YAW、PIT、ROL通道）作为输入，通过PID算法解算出调节姿态所需要的变化速率，即角速度。内环控制将外环输出的角速度期望值和无人机角速度当前值（来源于六轴传感器）作为输入，通过PID算法解算出角加速度，输出给电机进行飞行控制。

SATB1、Wnt1、β-catenin、Vimentin、Snail在对照组肝组织中显著表达(P<0.05)，在实验组和预防组中表达降低；E-cadherin在对照组肝组织中表达降低，而在实验组和预防组表达升高。各抗体的表达抑制率具体结果见表2。各组经统计学检验(P<0.05)，差异具有统计学意义。

（5）其他任务：包括无人机PID参数的同步，当前飞行模式的检查、切换，LED灯的控制等。

3.2.2 飞控系统数据流图分析

由源码分析可知，四旋翼无人机飞行控制系统由多核功能模块组成。而且各模块之间存在着明显的数据依赖关系。例如数据传输模块运行之前必须先执行姿态解算模块；运行姿态解算模块之前，必须先读取磁罗盘以及六轴传感器的数据等。故对于该系统，做出数据流图进行系统的任务分析是很有必要的，如图2所示。

一方面，无人机上的接收机能够接受来自用户从遥控器发出的遥控信号，接收机将遥控信号与传感器接收到的外界信号在控制器中进行交互，输出PWM信号驱动电机运转；另一方面，控制器能够将目前无人机的飞行状态通过数据传输模块反馈给地面站，地面站根据反馈的情况动态进行校准，校准信号通过数据传输模块对控制器进行发送，进行校准电机的转速，改变飞行姿态。

在这里，暂不对自主飞行模块进行讨论。

3.2.3 飞控系统任务划分

图2

通过系统模块及源码分析，识别出了该四旋翼无人机飞行控制系统的所有功能以及它们之间的数据流关系，并且得到了相对完整的数据流图，通过数据流图，识别出可并行的功能，并把可并行、相对独立的功能单元抽象成一个系统任务。本节首先分析任务划分的原则，再针对该分析控制系统的任务划分进行分析。

根据DARTS的任务划分原则，对四旋翼无人机飞行控制系统进行任务划分，如表2所示。

表2

任务名 主要函数/文件 功能 周期（ms）Task_Init All_Init 初始化 —Task_RC RC_Duty 接收遥控信号 2 Task_OuterLoop CTRL_2 外环控制 5 Task_InnerLoop CTRL_1, 内环控制 2 Task_IMU ak8975.c,imu.c，mpu6050.c 姿态解算 2 Task_Data data_transfer.c 数传 1 Task_50 Parameter.c,mode_check,LED,Ultra参数、模式检查，LED，超声波 50

3.2.4 任务依赖关系及优先级的确定

在明确了飞控系统的任务间数据关系，以及各任务的划分情况后，接下来需要对任务进行优先级及相互依赖关系的确立。

虽然整个系统由多个任务组成，但是对于某个特定输入来说，并不是所有任务都要参与它的处理过程，因此可以将各个与输入有关的任务提取出来，构成一个子系统。可以将任务数据流中第一个任务的优先级设为最低。从第二个任务开始，先运行的任务的优先级高于等于后运行的任务的优先级。这样设计，可以令新数据的到达不对前面数据的处理造成过多的打断，系统输出结果的时间是确定的；还可以避免后来数据对前面数据的抢断，保证输出时间的确定性。根据以上优先级设置的原则，该四旋翼无人机飞行控制系统的数据依赖关系及优先级设置如图3所示。

T0为初始化任务，暂时设置为最高的优先级，初始化结束之后即使用任务删除函数进行删除；接着运行T1接收遥控信号；其次，通过T4姿态解算得到的数据，运行外、内环控制模块；最后进行数据传输模块。除此之外，还有T6，该任务为一些实时性较低的函数集合，包括参数检查、LED等控制等。

通过对函数功能模块的划分、任务的确立以及各任务之间优先级的确立。进一步说明了无人机的飞行控制系统在实时操作系统的协助下，能够在满足飞行要求的前提下，进一步提高系统的实时性、可靠性。

4 总结与展望

4.1 总结

无人机领域渗透入其他各个领域，本文首先通过事实阐述无人机应用的优点，并对无人机发展历程、应用领域、发展趋势等方面进行整体概述；结合图示对无人机的构造及各部件的功能作了硬件设计；阐述了无人机飞控系统的代码、功能、模块等方面的基本概念，对任务优先级的划分做了综述。经过设计表明，配有实时操作系统的无人机设备能够具备很高的实时性，满足飞行要求。但由于缺少实践，对无人机实际操作中的相关问题在本文中没有做到明确地阐述。

图3

4.2 展望

经过大量论文的研究表明，尽管无人机发展迅速，但与人们理想的效果仍有一些差距，还面临着巨大挑战。但不可否认，无人机的发展具有很大潜能，随着技术的突破和性能的改进，无人机被广泛应用于各界已为期不远了。在今后的研究中，还会要将无人机的理论基础和实践操作结合起来进行研究，进而对无人机的各方面作更全面的阐述。

音乐要服从于诗歌是格鲁克歌剧创作的基本原则。正如他在歌剧《阿尔采斯特》宗谱序言里提到的，音乐应该“帮助加强诗歌的表情并祈祷促使剧情发展的作用”，而不是“用多余的装饰去阻碍动作和剧情”。歌剧的一切表现手段都要与剧情的发展相关。“追求新奇几乎没有价值，除非它们出于情景和表情的需要。”基于这个原则，格鲁克对意大利正歌剧的歌唱部分、乐队部分、舞蹈和舞台布景等各个环节进行改革，避免了一切因为歌唱者或作曲家而出现的错误。

参考文献

[1]史峰, 何立明, 马晓峰,等. 基于uC/OS—Ⅱ操作系统的无人机飞控系统软件设计[J]. 传感器与微系统, 2008, 27(4):94—96.

[2]罗丽燕, 刘中田. 基于UML的无人机飞控系统建模[J]. 航空计算技术, 2012, 42(5):127—130.w

[3]罗丽燕, 刘中田. 基于UML的无人机飞控系统建模[J]. 航空计算技术, 2012, 42(5):127—130.

[4]聂博文, 马宏绪, 王剑,等. 微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J]. 电光与控制, 2007, 14(6):113—117.

[5]罗伟, 吴森堂. 无人机嵌入式飞行控制系统软件设计方法[J].计算机测量与控制, 2011, 19(12):3169—3171.

[6]聂博文, 马宏绪, 王剑,等. 微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J]. 电光与控制, 2007, 14(6):113—117.

[7]淳于江民, 张珩. 无人机的发展现状与展望[J]. 飞航导弹,2005(2):23—27.

[8]淳于江民, 张珩. 无人机的发展现状与展望[J]. 飞航导弹,2005(2):23—27.

[9]匿名. 无人机飞控[EB/OL]. https://baike.so.com/doc/6265221—6478642.html.

[10]匿名. 无刷电机[EB/OL]. https://baike.so.com/doc/6069728—6282798.html.

[11]罗伟, 吴森堂.无人机嵌入式飞行控制系统软件设计方法[J].计算机测量与控制, 2011, 19(12):3169—3171.

[12]胡磊. 基于μC/OS—Ⅱ的小型固定翼无人机飞控系统的设计与实现[D].电子科技大学, 2014.

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