無人機課程設計模板

1、S HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY 結(jié)課論文 無人機課程結(jié)課論文題目：基于VxWorks的無人直升機控制系統(tǒng)設計學院(系): 土木學院 專 業(yè): 工程力學 班 級： 13-2 姓 名: 張芙豪 學 號: 311307090221 成 績： 任課教師： 趙運基 2016年 6 月 12 日 目 錄1.報告摘要32.目的意義33.設計內(nèi)容43.1控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)43.2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)43.3控制系統(tǒng)軟件設計53.4基于優(yōu)先級的消息隊列53.5 基于看門狗的多任務調(diào)度6 3.6地面基站控制效果圖74.結(jié)束語8參考文獻81.報告摘要 組建了一種基于嵌入式實時操作系

2、統(tǒng)VxWorks平臺的無人直升機控制系統(tǒng)，實現(xiàn)遠距離無人直升機飛行狀態(tài)信息傳輸，接收地面基站命令后完成自主定點飛行任務。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。2.目的意義 畢業(yè)設計是對自己大學四年所學知識的一個融合和總結(jié)，平常我們所學到的知識是零散的理論的，畢業(yè)設計可以把我們學到的這些知識運用到實踐當中去。這次實習是為了在畢業(yè)進入社會前，將自己的理論知識與實踐融合，并且完成從理論到實踐的過渡 我認為大學生的實習是自我完善的重要的一

3、步，也是大學生正視社會和正視自己，走出自我，真正融入社會生活工作的第一步，而且很多時候通過實踐，尤其在不同的職業(yè)中的實踐才會真正找到自己感興趣并適合自己的行業(yè)，也是完成從空想到現(xiàn)實轉(zhuǎn)變的第一步。 通過實習我們可以快速從學校到職業(yè)的轉(zhuǎn)變，為以后的工作做充足的準備。通過實習，可以學會如何用理論解決實際問題，我們可以把畢業(yè)設計當做一個項目，學習如何查閱資料，如何解決實際問題，如何與他人溝通。在實習期間，需要我們一個人面對眾多的難題，獨立思考，每一個難題都是一個考驗，也是一個突破自我的機會。實習要求我們不能懈怠，必須務實苦干，也鍛煉了自己的意志。大一期間，我學習了51單片機，并熟練掌握。大二期間，我又

4、學習了STM32單片機，這次實習，是我對自己所學知識的實際應用，增加了我對理論知識的深刻理解，在此期間，我遇到過很多困難和問題，在導師的幫助下，順利解決了這些問題，并讓我對相關(guān)知識有了更深的理解。 總的來說，通過畢業(yè)實習，我能夠用理論聯(lián)系實際，用自己所學的知識解決實際問題，學會了用更清楚的眼光看待問題，用更多不同的方法去解決困難，學習到了更多。經(jīng)過了四年大學的學習，畢業(yè)實習是人才培養(yǎng)方案的重要環(huán)節(jié)，旨在培養(yǎng)學生的實踐能力、分析問題和解決問題的能力。在實習指導老師的指導下，使學生將所學基本理論、基本知識與社會實踐相結(jié)合，迅速轉(zhuǎn)化為實際工作能力，增強適應市場需要的能力。3.設計內(nèi)容畢業(yè)設計題目-基

5、于VxWorks的無人直升機控制系統(tǒng)設計 3.1   控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)無人直升機控制系統(tǒng)包括以下七個部分：無人直升機、機載控制計算機、機載平衡模塊、機載導航模塊、手動遠控模塊、地面基站與其他機載模塊，其他機載模塊根據(jù)系統(tǒng)擴展的需要進行添加【4】。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖見圖一 圖一 無人直升機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 通過手動遠控使無人直升機騰飛，騰飛后遠控器觸動多路選擇器，把無人直升機的控制權(quán)交與機載控制計算機。機載控制計算機開始傳輸飛行狀態(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載控制計算機使得它啟動自主定點飛行任務，控制無人直升機定點飛行，飛行任務結(jié)束后返回狀態(tài)信息給地面基站。3.2&

6、#160;  控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)此無人直升機控制系統(tǒng)的控制對象是模型直升機JRVoyager GS R260, 機載導航模塊包括Crescent的GPS與HONEYWELL HMR3300型號的電子羅盤。機載控制計算機是由三星公司生產(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。圖二中由于S3C44B0X的UART單元提供了兩個獨立的異步串行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口之間直接進行數(shù)據(jù)傳輸，另外GPS與電子羅盤提供的是標準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

7、芯片MAX232C來進行轉(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)進行通訊。S3C44B0X根據(jù)內(nèi)部程序輸出5路PWM波控制無人直升機的5個舵機，完成自主定點飛行任務。74LS128芯片作為多路選擇器，切換手動遠控模式與自主定點飛行模式。另外還擴展大容量的外部寄存器，其中8MB的HY57V641620作為SDRAM存儲器存儲程序運行中的中間數(shù)據(jù)，2MB的SST39VF1601存儲器作為FLASH存儲源程序。圖二 無人直升機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3.3   控制系統(tǒng)軟件設計無人直升機控制系統(tǒng)的軟件包含四大部分:一是根據(jù)

8、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計。系統(tǒng)上電后初始化socket套接字，網(wǎng)絡聯(lián)通后采用UDP協(xié)議通訊。下面將著重先容基于優(yōu)先級的消息隊列與基于信號量與看門狗的多任務調(diào)度。3.4 基于優(yōu)先級的消息隊列在控制系統(tǒng)中，不能由于執(zhí)行機載設備的數(shù)據(jù)傳輸命令而拒盡執(zhí)行地面基站的自主飛行命令。為解決這一題目，本控制系統(tǒng)建立了基于優(yōu)先級的消息隊列機制。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

9、個信息的內(nèi)存塊地址。各個任務將根據(jù)這些指針指向的數(shù)據(jù)來進行實際操縱。（1）基于優(yōu)先級的消息隊列方法。首先信息接收任務接收信息后根據(jù)信息頭地址內(nèi)容判定信息優(yōu)先級，地面基站的自主飛行命令優(yōu)先級為最高，把它插進到消息隊列的隊列頭，而機載電子羅盤與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。信息解釋任務從消息隊列頭逐一取出信息然后進行處理。（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

10、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。3.5基于看門狗的多任務調(diào)度VxWorks系統(tǒng)可以為每個任務設定特定的任務名與任務優(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)中設定的任務優(yōu)先級在60到100之間，這是由于由程序發(fā)起的任務優(yōu)先級要高于Tornado開發(fā)環(huán)境中shell發(fā)起sp的任務優(yōu)先級即小于100，同時也要低于系統(tǒng)任務的優(yōu)先級即大于60【5】?？刂葡到y(tǒng)包含了信息接收任務，信息解釋任務，信息發(fā)送任務，網(wǎng)絡監(jiān)測任務，定時輪詢?nèi)蝿眨灾黠w行任務等多任務。流程圖見圖三。圖三 任務調(diào)度流程圖 任務的操縱使用的是VxWorks系統(tǒng)中的taskLib()與t

11、askInfo()庫函數(shù)?？撮T狗時鐘精確定時用到函數(shù)wdCreate(),wdStart()等,任務間的同步調(diào)度使用的是信號量，包括有二進制信號量與計數(shù)信號量。信息接收任務把網(wǎng)絡中傳輸?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，信號量的值對應于當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)型信號量就開釋，消息解釋任務獲得開釋的信號量后從消息隊列頭獲得最應被優(yōu)先執(zhí)行的命令，根據(jù)內(nèi)存中的首地址信息，調(diào)用相應的執(zhí)行函數(shù)。假如判定是無人直升機飛行狀態(tài)信息，調(diào)用信息發(fā)送任務把實時信息傳送給地面基站。如判定是無人直升機自主飛行命令，則調(diào)用

12、自主飛行任務,在此任務中要定時查詢無人直升機飛行狀態(tài)信息并與命令中信息做比較，控制舵機動作以完成自主定點飛行任務。在定時查詢機載設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格的定時，在調(diào)用自主飛行任務時創(chuàng)建看門狗。經(jīng)過1s的時間延時后運行查詢無人直升機飛行狀態(tài)信息的函數(shù),比較信息后控制舵機動作，直到完成無人直升機的自主定點飛行任務后取消看門狗。切換到信息發(fā)送任務，發(fā)送飛行狀態(tài)信息到地面基站監(jiān)控系統(tǒng)。3.6 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)試與觀察直升機的實際飛行狀況?；究刂栖浖肰C

13、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+語言進行編譯?？刂菩Ч麍D中顯示無人直升機自主定點飛行時的實時狀態(tài)信息：當前高度、設定高度、東西間隔、南北間隔、方位角、俯仰角、測滾角等。實現(xiàn)了良好的人機交互功能，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4 結(jié)束語本文對無人直升機控制系統(tǒng)從硬件與軟件兩個方面進行了闡述，并應用了先進與高性能的實時操縱系統(tǒng)VxWorks，通過VxWorks多任務調(diào)度時的快速切換響應實現(xiàn)無人直升機的自主飛行。并且通過實際的多次實驗飛行與調(diào)試，實現(xiàn)了無人模型直升機自主飛行的任務，取得了預期的效果。參考文獻1吳森堂，費玉華飛行控制系統(tǒng)北京：北京航空航天大學出版社，2005.2桂肖敏，羅飛，曹建忠嵌入式操作系統(tǒng)在芯片上的應用微計算機信息，200622：101-103.3王金剛基于的嵌入式實時系統(tǒng)設計北京：清華大學出版社，2004作者簡介：江宏偉（1980），男（漢），河南息縣人，碩士