无人直升机实时机载和地面站软件架构设计

于明清，徐锦法，刘建业

南京航空航天大学导航研究中心，江苏南京

南京航空航天大学直升机旋翼动力学重点实验室，江苏南京

摘　　　要：研究了无人直升机飞行控制系统实时软件系统设计架构，针对机载嵌入式飞控计算机系统和地面站计算机系统，提出了基于ＶｘＷｏｒｋｓ实时操作系统的多线程任务机载软件设计方案和基于ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ操作系统的地面站软件设计方案，有助于加快完成无人直升机飞行控制系统的设计和验证。机载系统软件设计为数据采集和测量、伺服舵机驱动、飞行控制与发动机控制实现、通信和数据请求存储等功能。地面站系统软件设计为与机载系统的数据通信、终端用户操控，以及实时飞行状态监视等功能。利用组件对象模型设计技术实现了系统软件设计的模块化、软件结构分层组件化，方便了软件系统的集成与扩展。采用多任务线程机制，有效地满足了飞行控制系统实时性要求。利用实时操作系统的定时器任务机制，确保飞行模式的任务管理和调度。依据所提出的软件设计架构完成了实时机载软件和地面站软件组件模块的设计与开发，而且软件集成快捷方便。研究成果已成功应用于某型无人直升机飞行控制系统。

关　键　词：无人直升机；实时系统；机载软件；地面站软件；软件架构

１　引　言
近年来，无人直升机研究在世界上引起了广泛的关注。不仅仅是无人直升机在军事和民用领域具有潜在应用价值，更重要的是无人直升机作为一个多功能性研究验证平台设备，可为许多应用和学术研究所用，具有很强的科学意义。世界上很多科研机构和高等院校都已选择无人直升机作为研究和测试先进控制技术的设备。无人直升机自主飞行能力的实现需要克服许多技术关键，面临着许多复杂和不确定的环境，比如：无法预料的障碍物、敌人袭击、和设备故障等。还必须与地面站技术员进行有效通信。无人直升机控制系统不仅涉及飞行控制系统，需要计算飞行控制律，而且还涉及发动机控制系统、高层任务规划、决策和调度。无人直升机机载软件系统需要执行各种任务，从硬件驱动到设备操作管理，从经典输入输出控制律实现到任务调度和派遣。已有不少文献讨论了无人直升机系统结构、控制方法和软件实现等方面内容。文献［１］介绍了模型无人直升机机载软件实现，包括通信、数据请求和控制等机载任务。文献［２］介绍了一种具有可重构和互操作能力的复杂动态系统开放式控制平台（ＯＣＰ），给出了基于ＣＯＲＢＡ的无人直升机仿真平台验证原型。文献３提出了一个关于无人直升机系统配置方案和软件实现方法。本文着重介绍无人直升机实时机载系统和地面站系统软件架构和组件模块设计与开发，用于无人直升机飞行控制系统（含发动机控制）设计验证。

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