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基于μC/OS-Ⅱ的无人直升机飞行控制系统软件设计

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基于μC/OS-Ⅱ的无人直升机飞行控制系统软件设计

作者：王奕南京航空航天大学

学位级别：硕士

无人直升机具有独特的飞行能力,在军事和民用方面的需求日益增多,进行无人直升机飞行控制技术研究具有广泛的应用前景和极其重要的现实意义。无人直升机飞行控制系统软件是无人机飞行控制系统重要的组成部分,在飞行控制系统设计中越来... 详细信息

无人直升机具有独特的飞行能力,在军事和民用方面的需求日益增多,进行无人直升机飞行控制技术研究具有广泛的应用前景和极其重要的现实意义。无人直升机飞行控制系统软件是无人机飞行控制系统重要的组成部分,在飞行控制系统设计中越来越重要,其性能直接关系到飞行的成败。本文基于嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ,构造以μC/OS-Ⅱ为核心的无人直升机飞行控制软件设计的新型开发体系。分别设计嵌入式和桌面式两种飞行控制软件,为飞行控制开发不同的阶段服务。同时,这两套软件相互联系,相互补充,它们之间的区别仅仅在于底层驱动部分,其控制律部分的代码可以100%进行移植。首先在现有成果的基础上,对μC/OS-Ⅱ的嵌入式机载软件进行了移植,主要包括了开发环境的移植、CPU的移植、全局变量的安全读写、Fixed-Point算法等内容。其次在充分把握μC/OS-Ⅱ的中断管理机制的基础下,设计了中断方式的μC/OS-Ⅱ的串行通信模块(OSCom模块),不仅实现了串行口独立中断,而且实现了串行口共享中断。最后根据“等效飞控”的思想,在完成μC/OS-Ⅱ在Windows环境仿真运行移植的基础下,设计了“等效飞控”相关软件。根据两种典型配置分别实现了“等效飞控”技术。本文对上述的所有工作全部进行了实际物理环境下的试验验证,结果表明上述设计在工程中是切实可行的。

关键词：无人直升机 μC/OS-Ⅱ 飞行控制软件串行通信等效飞控 Fixed-Point算法共享中断

小型无人直升机悬停/小速度下的飞行控制律设计技术研究

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小型无人直升机悬停/小速度下的飞行控制律设计技术研究

作者：张剑南京航空航天大学

学位级别：硕士

无人直升机因其独特的飞行特点而具有重要的军事和民用价值,又由于其自身的特殊构造,使无人直升机的建模与控制技术非常复杂,本文正是在这种背景下,进行无人直升机建模与控制技术的研究。首先,建立了基于“圆盘理论”的无人直升机数学模... 详细信息

无人直升机因其独特的飞行特点而具有重要的军事和民用价值,又由于其自身的特殊构造,使无人直升机的建模与控制技术非常复杂,本文正是在这种背景下,进行无人直升机建模与控制技术的研究。首先,建立了基于“圆盘理论”的无人直升机数学模型,建模时综合考虑了直升机各主要气动部件的建模,详细讨论了主旋翼的气动力模型、诱导速度模型和挥舞运动模型,整个仿真模型最终在S-Function平台上得到了实现。最后采用样例直升机数据,把“圆盘理论”模型和Flightlab模型进行对比,结果证明了“圆盘理论”建模方法的合理性和有效性。根据建模的目的和用途,把在Matlab环境下的数学模型转化为可用于“等效飞控”仿真或半物理实时仿真的C语言版本模型。其次,介绍了无人直升机飞行控制律的设计工作,利用所建的非线性数学模型,经过配平线性化,得到悬停状态下的线性模型。根据直升机稳定性和耦合性的分析结果,对无人直升机的飞行控制策略、控制规律进行了研究,实现了无人直升机增稳、姿态、位置等飞行控制律。由于工程应用中,对姿态的控制达不到预期的精度,常规的位置控制律不能满足要求,因此提出了改进方案,圆满的解决了内回路控制不准的问题。最后,根据“等效飞控”的思想,完成了RTOS32在Windows环境下的移植,实现了控制律代码在目标机环境和“等效飞控”环境下的完全一致。设计了“等效飞控”控制台软件等相关软件。并把“等效飞控”仿真和半物理实时仿真结果进行了对比,可以看出“等效飞控”设计环境可以应用于工程项目的开发,能够验证控制律的正确性。然后利用“等效飞控”环境,验证了悬停、回转、前飞、两点航线等飞行模态。

关键词：无人直升机建模飞行控制悬停等效飞控

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无人直升机悬停状态位置及航向控制技术研究

无人直升机悬停状态位置及航向控制技术研究

作者：徐凯铭南京航空航天大学

学位级别：硕士

悬停是无人直升机的飞行特色,也是最重要的飞行功能之一。原有飞行控制律解决了基本飞行问题,然而飞行性能不足。本文针对无人直升机悬停控制中几个亟需解决的问题,提出了改进方案。首先,针对课题组缺少置信度高、易用的数学模型的问题... 详细信息

悬停是无人直升机的飞行特色,也是最重要的飞行功能之一。原有飞行控制律解决了基本飞行问题,然而飞行性能不足。本文针对无人直升机悬停控制中几个亟需解决的问题,提出了改进方案。首先,针对课题组缺少置信度高、易用的数学模型的问题,本文研究了Rotorlib软件建模的方法,并针对其线性化的样例无人直升机高阶模型作降阶处理及对象特性分析,为控制律设计及仿真验证打下基础。其次,针对大气扰动下悬停位置精度不足的问题,本文提出了基于地速的位置控制,并形成两种悬停方式:地速悬停和基于地速的高精度悬停,满足了不同的悬停需求。其中基于地速的高精度悬停在大气扰动下的位置精度显著提高。针对悬停段原有航向控制对干扰适应性不足的问题,本文设计了一种基于指令内回路的航向控制方法。该结构以偏航角速率为控制核心,符合无人直升机的特性。对比分析表明改进航向控制加强了对航向干扰的适应性,航向通道的稳定性得到提高。接着,为了搭建控制律快速验证平台,本文设计了等效仿真环境,重点开发了等效飞控软件和仿真模型软件。等效飞控采用windows移植版的实时内核?cos-II,保证导航控制模块“等效”性。仿真模型软件基于二次封装的Rotor Lib模型库开发,提高了易用性。最后,综合对比验证控制律。综合仿真结果表明:本文设计的控制律提高了飞行性能,更适合样例无人直升机使用。悬停回转的试飞验证也表明了本文所设计的控制律的可行性。

关键词：无人直升机 Rotorlib 悬停位置控制航向控制等效飞控

基于VxWorks的无人机飞行控制软件设计

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基于VxWorks的无人机飞行控制软件设计

作者：蔚文杰南京航空航天大学

学位级别：硕士

飞行控制软件是无人机飞行控制系统的重要组成部分,在飞行控制系统设计中越来越重要,其性能直接关系到无人机的飞行成败。本文设计以嵌入式实时操作系统VxWorks为软件平台的无人机飞行控制软件,提出采用一种新的基于“等效飞控”的飞行... 详细信息

飞行控制软件是无人机飞行控制系统的重要组成部分,在飞行控制系统设计中越来越重要,其性能直接关系到无人机的飞行成败。本文设计以嵌入式实时操作系统VxWorks为软件平台的无人机飞行控制软件,提出采用一种新的基于“等效飞控”的飞行控制软件设计方法,把飞行控制软件按开发阶段分为等效飞行控制软件和机载飞行控制软件。飞行控制软件中的上层核心模块控制和导航模块由基于PC机的等效飞行控制软件来完成,底层模块和其余上层功能模块在目标机环境下开发完成。最后,实现将控制和导航模块100%移植到目标机环境下,共同组成机载飞行控制软件。首先,针对新的MPC565目标机,开发飞行控制软件的底层驱动。完成MPC565自带串口以及CPU目标板上相关硬件资源的驱动开发;在继承实验室原有成果的基础上,完成飞控机中相应的PC104总线各个扩展板卡在VxWorks下驱动的移植设计。其次,依据VxWorks的多任务机制,完成飞行控制软件中上层功能模块在VxWorks实时操作系统下的的移植。这些功能模块主要包括:执行机构模块、传感器模块、遥控遥测模块、地面检测模块、机载设备模块等。最后,根据“等效飞控”的思想,借助Win32-POSIX函数库,在VC6.0环境下完成等效飞行控制软件的设计。同时,继承实验室已有的等效飞行仿真控制台软件,采用基于WIL库的UDP网络通信机制,建立与等效飞行控制软件之间的通信,二者构成等效飞行仿真系统,用于验证设计的控制和导航模块的正确性。本文对上述所做工作进行了系统的试验验证。完成了内核性能、软件性能、底层驱动等测试,验证了基于MPC565和VxWorks的飞行控制软件平台的可用性;在半物理仿真环境下,验证了基于VxWorks的机载飞行控制软件。结果表明采用“等效飞控”的飞行控制软件设计方法是切实可行的。

关键词：无人机飞行控制软件等效飞控 VxWorks MPC565 POSIX

无人直升机悬停/小速度段的飞行控制律设计技术研究

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无人直升机悬停/小速度段的飞行控制律设计技术研究

作者：黄海南京航空航天大学

学位级别：硕士

无人直升机具有独特的飞行能力,兼有无人机与直升机的共同优点,具有重要的军事和民用价值。悬停/小速度段是无人直升机应用最广的飞行区域,有效解决悬停/小速度段的飞行控制问题能够增加无人直升机的飞行能力,提高试飞安全性。本文正是... 详细信息

无人直升机具有独特的飞行能力,兼有无人机与直升机的共同优点,具有重要的军事和民用价值。悬停/小速度段是无人直升机应用最广的飞行区域,有效解决悬停/小速度段的飞行控制问题能够增加无人直升机的飞行能力,提高试飞安全性。本文正是为了解决无人直升机悬停/小速度段飞行控制问题而进行无人直升机悬停/小速度段控制技术研究。根据无人直升机悬停/小速度段的飞行特点,本文定义了悬停/小速度基本飞行模态,结合不同模态的特点提出以位置控制为核心的悬停/小速度段总体控制方案。对比研究了三种增稳控制和四种位置控制,给出了不同控制方案的特性差异和应用场合,为无人直升机悬停/小速度段的增稳与位置控制方案的选取提供参考。详细研究了比例、积分、微分和前馈补偿控制在高度与航向控制中的作用,设计了基于PID反馈和前馈补偿复合控制方法的高度与航向控制律。提出了无人直升机悬停/小速度段飞行模态的具体实现方案,实现了无人直升机悬停/小速度段飞行功能。根据“等效飞控”的开发思想,利用RTOS32兼容WIN32多线程函数的特点实现了飞控软件的等效开发与快速验证环境,并将FlightGear开源飞行模拟软件与仿真环境集成,实现无人直升机飞行功能仿真验证。仿真结果表明飞行模态的实现方案是合理的,基于FlightGear内置动力学模型的飞控功能仿真验证方案是可行的。最后通过仿真和试飞对比了基于姿态角阻尼内回路的位置控制和基于姿态角指令内回路的位置控制,试飞与仿真结果是一致的,表明姿态角阻尼内回路位置控制更适合无人直升机悬停/小速度段的位置控制。

关键词：无人直升机悬停/小速度飞行控制模态实现等效飞控

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无人直升机等效仿真平台开发

兵器装备工程学报 2017年第9期38卷 81-86页

作者：夏斌冯昊陈光山廖幻年孔寒雪上海航天控制技术研究所上海201109

依据"等效飞控"的开发思想,利用μC/OS-Ⅱ实时内核在windows环境下的可移植性,保证等效仿真平台与机载实时内核具有相同的任务调度功能,设计了无人直升机等效飞控软件,实现PC机环境下的实时仿真,并对Flight Gear视景软件进行二次开发,... 详细信息

依据"等效飞控"的开发思想,利用μC/OS-Ⅱ实时内核在windows环境下的可移植性,保证等效仿真平台与机载实时内核具有相同的任务调度功能,设计了无人直升机等效飞控软件,实现PC机环境下的实时仿真,并对Flight Gear视景软件进行二次开发,实现无人直升机全过程飞行仿真演示;在PC机环境下快速验证制导控制策略的合理性和鲁棒性,不受限于硬件条件的诸多限制,提高飞控软件的开发效率。

关键词：等效飞控无人直升机等效仿真制导控制策略