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基于RTOS的小型无人机飞行控制系统 摘 要： 一种基于RTOS的小型无人机飞行控制系统的设计与实现。该系统基于C8051F120单片机和USOS II嵌入式实时操作系统，通过使用实际飞行获取的飞行参数，采用PID控制律实现了姿态控制；通过使用GPS提供的方位信息，实现了无人机的轨迹控制。同时，该控制系统还提供了飞行参数的存储。　　关键词： C8051F120；实时操作系统；无人机；PID ? 　　随着无人机的逐渐小型、微型化，无人机的飞行控制系统逐渐向微型化、低功耗、低成本的方向发展。飞行控制系统作为无人机的关键技术部件，国外已有厂商针对小型无人机开发出了微型飞控系统，如美国Vesta Technology公司的AP30、AP40、AP50［1］系列、Cloud Cap Technology公司的PICCOLO系列以及MICROPILOT公司研制的MP 1000等。它们体积小、重量轻，但价格都比较高，或者根本就限制对华销售。国内科研单位主要研制的是针对中、大型无人机的飞控系统。这类飞行控制系统的体积、重量、功耗都很大，而且成本高，不能满足微、小型无人机的需要。针对以上情况，本文研究设计了针对微、小型无人机的小体积、低功耗、低成本的小型无人机飞行控制系统。1 系统总体设计1.1 飞行控制系统系统需求　　针对小型无人机飞控系统的特点，提出了系统的软硬件需求。　　(1)硬件需求　　小型无人机飞行控制系统的硬件需要满足处理速度快、多路模拟、数字信号采集/输出能力及数据存储能力强。其具体需求如下：　　①具有较高的处理速度，能够胜任控制系统的众多事务处理。　　②具有多路模拟信号的较高精度的采集能力。飞机姿态参数的采集使用空速传感器、高度传感器、角速度传感器等，上述传感器输出的都是模拟信号，需经量化后送往处理器处理。　　③具备对8路遥控PCM指令信号的采集能力。本系统有自主飞行和遥控两种控制模式，在起飞和着陆阶段均采用遥控模式。在遥控模式下，由操纵员操作遥控器发送指令控制舵机、油门等执行机构。遥控器发送的指令形式为PCM，一般有8个通道。　　④提供多路PWM信号输出接口。升降舵、方向舵、副翼、油门都拟采用PWM控制方式。　　⑤可存储约10min的飞行记录信息。　　⑥至少两路UART接口。飞控系统拟采用GPS导航，GPS模块通信接口为UART；采用GPRS模块实现地面站与飞控系统的通信，GPRS模块通信接口也为UART。　　⑦提供航路点等参数的设置、飞行记录等信息输出的接口。通过PC、PDA可方便地访问这些参数。　　⑧为以后功能扩展预留接口。　　(2)软件需求　　无人机飞行控制系统的软件设计较为复杂。飞行动态连续控制中，应确保处理运算、控制等所有任务无相互干扰，同步、实时进行；需要完成姿态控制、轨迹控制、数据采集记录、舵机油泵的控制等任务。1.2 飞行控制系统硬件总体设计　　硬件系统的总体框图如图1所示，整个系统由接收机信号采集通道、接口电路、传感器信号转换电路、PWM输出通道组成。GPS导航模块、GPRS无线通信模块均通过UART接口与系统相连。系统与PC、PDA的通信接口也采用UART口，由于只在地面时才使用PC、PDA进行参数设置、读出飞行记录信息等，故与GPRS模块复用同一路UART。 ? 1.3 飞行控制系统软件总体设计　　为确保程序运行可靠及编程简便，系统采用了嵌入式操作系统USOS II[2]。USOS II是针对中低档单片机而设计的嵌入式实时操作系统内核。同时支持按时间片轮转、按优先级抢占、二者结合共三种调度策略，具有完善的任务管理功能，提供定时、延时服务，支持消息、信号(signal)通信机制，支持临界代码段保护，提供二进制、计数型信号量(semaphore)同步对象等，支持Bottom-half中断管理机制[3]。通过对飞行控制任务的分析，将整个程序分为纵向控制任务、横向控制任务、飞行轨迹控制任务、飞行参数记录任务。其中，纵向控制任务包含油门控制和升降舵控制两个相互交联的子任务；而横向控制任务包含方向舵控制、副翼控制两个相互交联的子任务，同时这两个子任务也与升降舵控制子任务有交联，以保证转弯过程中对高度的损失能够及时补偿。与任务并列的程序还有AD中断、串口中断、比较器中断等。软件系统结构图如图2所示。 2 硬件设计2.1 处理器的选型　　在选择处理器时，需考虑可靠性、处理速度、系统集成度、开发成本方面的因素。　　尽管ARM和DSP有相当高的处理速度，但多为商业级芯片。在使用中，一般要进行数据存储器和程序存储器的扩展，另外其I/O口不兼容5V电平逻辑，不便于芯片扩展，开发工具成本也较高。故在本系统中未采用，而选用了Cygnal公司的高速混合信号系统级C8051F120[4]单