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基于uC/OS-II操作系統(tǒng)的無人機飛控系統(tǒng)軟件設(shè)計

史峰，何立明，馬曉峰，史中正

摘要：針對以往飛控系統(tǒng)軟件中代碼多，可靠性、實時性差，不具通用性等缺點，采用uC/OS-II操作系統(tǒng)設(shè)計無人機飛控軟件，利用操作系統(tǒng)來進行軟件中各任務(wù)的實時調(diào)度和通信。通過地面測試和空中試驗表明：該軟件系統(tǒng)具有可靠性高、實時性強等優(yōu)點， 滿足飛控系統(tǒng)軟件設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：飛控系統(tǒng); uC/OS-II；優(yōu)先級劃分；調(diào)度與通信

0、引言 

無人機飛行控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多任務(wù)系統(tǒng), 要求不僅能夠與地面控制站雙向通信、采集傳感器數(shù)據(jù)、進行飛控/導(dǎo)航計算、驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)等, 還要求可靠性高、實時性強。傳統(tǒng)的飛控系統(tǒng)軟件大多按預(yù)先設(shè)定的順序循環(huán)執(zhí)行, 具有代碼多，可靠性、實時性差， 不具備通用性等缺點。

針對以上缺點，本文采用uC/OS-II操作系統(tǒng)開發(fā)無人機飛控軟件, 將復(fù)雜的處理任務(wù)交給操作系統(tǒng)進行實時調(diào)度，滿足無人機飛控系統(tǒng)實時、多任務(wù)的要求。

1、無人機飛控系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

飛控系統(tǒng)軟件設(shè)計基本要求是：1)具有采集功能：能夠采集傳感器的值, 控制信號值和舵機當前狀態(tài)值;2)具有姿態(tài)解算功能：解算出當前無人機的姿態(tài)值;3)具有控制率計算功能：根據(jù)不同任務(wù)解算不同控制信號, 實現(xiàn)無人機自主導(dǎo)航;4)具有串口通信功能：接收GPS信息, 通過SD卡存儲信息, 與地面控制站進行信息交換;5)其他要求：具有遙控飛行、自動飛行2種飛行模式的切換功能, 具有系統(tǒng)自檢和墜毀監(jiān)控等功能。

整個系統(tǒng)的軟件流程圖如圖1所示：

圖1 飛控系統(tǒng)軟件流程圖

2、基于uC /OS-II操作系統(tǒng)的飛控軟件設(shè)計 

2.1 uC/OS-II操作系統(tǒng)簡介  uC/OS-II是目前世界上最小的操作系統(tǒng)內(nèi)核軟件，它由Labrosse JJ于1992年推出。具有內(nèi)核小、實時性強、穩(wěn)定性高、任務(wù)切換快、可移植性好等優(yōu)點，現(xiàn)已被眾多的研究者作為操作系統(tǒng)的樣板移植到各種硬件平臺上。

2.2 任務(wù)劃分和優(yōu)先級確定首先, 對飛控軟件進行任務(wù)劃分，將飛控系統(tǒng)軟件進行分解，形成相對獨立的程序模塊或功能函數(shù)，并將它們設(shè)置為操作系統(tǒng)下的任務(wù)，同時確定每個任務(wù)的優(yōu)先級。

根據(jù)飛控系統(tǒng)軟件流程圖, 將軟件分為4個模塊來設(shè)計，即系統(tǒng)初始化模塊、主控模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、通信模塊，每個模塊對應(yīng)一個優(yōu)先級不同的任務(wù)。其中, 主控模塊又包括數(shù)據(jù)采集、控制運算、控制率輸出3個子模塊。（1）初始化模塊的功能是開機自檢；（2）主控模塊：采集模塊的功能是通過串口和A/D轉(zhuǎn)換采集傳感器和GPS的值和地面站傳輸?shù)纳闲兄噶?；運算模塊的功能是進行姿態(tài)解算和控制率計算；輸出模塊的功能是把控制率輸出到驅(qū)動舵機；（3）數(shù)據(jù)存儲模塊的功能是將采集和控制計算的數(shù)據(jù)存儲到SD卡中；（4）數(shù)據(jù)通信模塊的功能是將采集和控制計算的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)降孛婵刂婆_。

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，將軟件分成4個優(yōu)先級不同的任務(wù)：第一個任務(wù)是初始化任務(wù)TaskIint( ) , 由初始化模塊構(gòu)成，該模塊的主要功能是系統(tǒng)自檢。這是整個程序中優(yōu)先級最高的任務(wù)，優(yōu)先級定義為1，系統(tǒng)一上電就執(zhí)行這個任務(wù)；第二個任務(wù)是TaskWork( )，這個任務(wù)的優(yōu)先級僅次于TaskIint( )任務(wù)，優(yōu)先級定義為2，此任務(wù)由主控模塊構(gòu)成，是一個實時性較強的任務(wù)。這個任務(wù)是一個無限的循環(huán)， 執(zhí)行周期為20ms；第三個任務(wù)是TaskDataMemory( )，由數(shù)據(jù)存儲模塊構(gòu)成，這個任務(wù)是優(yōu)先級較低的任務(wù)，優(yōu)先級定義為3；第四個任務(wù)是TaskDataTransfer( )，由數(shù)據(jù)通信模塊構(gòu)成，是程序中優(yōu)先級最低的任務(wù)，優(yōu)先級定義為4。

2.3 任務(wù)的調(diào)度與通信任務(wù)建立完成后，要能夠協(xié)調(diào)地工作、完成系統(tǒng)功能，需要對任務(wù)進行調(diào)度和通信。任務(wù)間的調(diào)度是指內(nèi)核決定多任務(wù)中該輪到哪個任務(wù)的運行。uC/OS-II操作系統(tǒng)中的任務(wù)狀態(tài)分為睡眠態(tài)任務(wù)、就緒態(tài)任務(wù)、等待狀態(tài)任務(wù)、運行態(tài)任務(wù)和被中斷的任務(wù)5個狀態(tài), uC/OS-II是基于優(yōu)先級調(diào)度法的可剝奪型內(nèi)核，即是指CPU總是讓處于就緒態(tài)的、優(yōu)先級最高的任務(wù)先運行。

任務(wù)間的通信是指任務(wù)間或中斷服務(wù)與任務(wù)間的信息傳遞。任務(wù)間的通信方式有信號量管理、互斥型信號量管理、事件標志組管理、消息郵箱管理、消息隊列管理和內(nèi)存管理。本文采用消息郵箱管理，典型的消息信箱也稱作交換消息，使用一個指針型變量, 通過內(nèi)核服務(wù)，一個任務(wù)或一個中斷服務(wù)子程序通過內(nèi)核服務(wù)可以將一則消息放到郵箱里去。同樣, 一個或多個任務(wù)通過內(nèi)核服務(wù), 可以接收這則消息。當任務(wù)接到消息之后, 狀態(tài)變?yōu)榫途w態(tài)任務(wù)，等到其優(yōu)先級變?yōu)樽罡邥r執(zhí)行該任務(wù)。

本系統(tǒng)中定義的4個任務(wù)的調(diào)度和通信是這樣實現(xiàn)的：系統(tǒng)上電后執(zhí)行的第一個任務(wù)TaskIint( ) ，所以，在初始化任務(wù)執(zhí)行完成并返回正常的情況下，利用uC/OS-II的OSTaskDel( ) 函數(shù)將這個任務(wù)返回并處于休眠狀態(tài)。此時，TaskWork( )成為優(yōu)先級最高的任務(wù)，將會一直執(zhí)行。由于程序運行本身并不占用太多時間，所以，使用OSTimeDly( )函數(shù)進行延時20ms，即任務(wù)TaskWork( ) 將自己掛起20ms，將CPU的控制權(quán)交給其他任務(wù)。任務(wù)TaskDataMemory( )的運行周期為120ms，即當任務(wù)TaskWork( )執(zhí)行6次后，向任務(wù)TaskDataMemory( )發(fā)送一次消息, 消息中包含需要存儲的數(shù)據(jù)，任務(wù)TaskDataMemory ( ) 接收到消息后，等到任務(wù)TaskWork( )將自己掛起時執(zhí)行。任務(wù)TaskDataTransfer( )的運行周期為1s，當任務(wù)TaskWork( )執(zhí)行50次后, 向任務(wù)TaskDataTransfer( )發(fā)送一次消息, 消息中包含需要向地面站發(fā)送的數(shù)據(jù), 任務(wù)TaskDataMemory( ) 接收到消息后，等到任務(wù)TaskWork ( ) 將自己掛起時執(zhí)行。因為任務(wù)TaskDataMemory ( ) 和TaskDataTransfer ( ) 運行時間很短，在TaskWork( ) 掛起20ms中執(zhí)行完畢，不會出現(xiàn)運行過程中被高優(yōu)先級任務(wù)搶奪CPU控制權(quán)的現(xiàn)象。主函數(shù)偽代碼如下：

TaskIint( )偽代碼如下：

TaskWork( )偽代碼如下：

TaskDataMemory( )偽代碼如下：

TaskDataTransfer( )偽代碼如下：

3、試飛試驗

將該飛控系統(tǒng)軟件燒錄進無人機飛控計算機中進行試飛試驗, 讓無人機進行簡單的自主控制直線飛行和轉(zhuǎn)彎飛行, 并通過地面控制站采集飛機飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)。地面控制站接收到的數(shù)據(jù)如圖2所示。通過試飛試驗發(fā)現(xiàn)軟件系統(tǒng)運行穩(wěn)定, 各模塊工作穩(wěn)定, 達到設(shè)計要求。

 圖2 地面控制站接收到的數(shù)據(jù) 

4、結(jié)束語

通過地面測試和空中試驗表明：該軟件系統(tǒng)完全可以滿足飛控系統(tǒng)軟件設(shè)計的基本要求， 并具有代碼量少、程序結(jié)構(gòu)層次清晰、可靠性高、實時性強等優(yōu)點，為飛控系統(tǒng)軟件開發(fā)提供了一個較好的參考方法。

參考文獻：[ 1 ]  張明廉. 飛行控制系統(tǒng)[M] . 北京: 國防工業(yè)出版社, 1994.[ 2 ]  無人機系統(tǒng)導(dǎo)論[M] . 吳漢平, 譯. 北京: 電子工業(yè)出版社,2003.[ 3 ]  嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II[M] . 邵貝貝, 譯. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2003.

作者簡介：史峰(1983- ) ，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，主要從事無人機飛控系統(tǒng)軟件與硬件設(shè)計。