基于實時操作系統的無人機飛行控制系統設計綜述

崔圣釗

（山東省青州第一中學，山東青州，262500）

0 引言

無人機是一種由動力驅動，無人駕駛且重復使用的航空器簡稱。其體積小、成本低，可裝配制導系統、機載雷達系統、傳感器及攝像機等設備，用途廣泛并且不易造成人員傷亡［1］。無人機飛行控制系統是一個多任務系統, 要求不僅能夠采集傳感器數據、進行飛控/導航計算、驅動執行機構等, 還要求可靠性高、實時性強［2］。由于傳統無人機所運用的數據復雜且繁多，使其在操作上靈活度不高，不具有實時性。實時操作系統會簡化復雜的數據，將數據集合化，條理化。如將實時操作系統應用于無人機中，能夠完善功能檢查，功能維護，做到實時性，高靈活性，并延長無人機的使用壽命。近年來學術界在性能、應用等方面對搭載了實時操作系統的無人機進行了深入研究，極大地推動了無人機的發展。

文獻［4］從機構設計和飛行控制兩方面介紹了微小型四旋翼飛行器的發展現狀，敘述了小型四旋翼飛行器的發展技術路線。在飛控系統的原理和功能層面，文獻［3］主要利用UML例圖來系統地描述了飛控系統的構造，并從整體、靜態、動態角度刻畫飛控系統的性能指標；文獻［5］闡述了飛控系統的基本原理并引入實時內核，對調度管理和通信機制給出了詳細設計和分析。本文將回顧并總結在無人機領域的發展問題，并對無人機的飛控系統設計進行綜述。

1 無人機整體概述

1.1 發展背景及發展歷程

無人駕駛飛機是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務設備、執行多種任務，并能重復使用的無人駕駛航空器，簡稱無人機，英文上常用unmanned aerial vehicle表示，縮寫為UAN。早在1907年，Bruet—Richet就讓世界上第一架四旋翼飛行器“Gyroplane No．1”升上了天空［6］。但由于構造復雜、不易操縱等原因，大型四旋翼飛行器的發展一直都比較緩慢。20世紀60、70年代，隨著美蘇之間冷戰形式的加劇，無人機得到了廣泛應用。美國將無人機用語軍事偵察，情報獲取，無線電干擾等軍用屬性。近年來，隨著新型材料以及飛行控制等技術的進步，無人機逐漸向微小型、實時性、可操作性強的方向過渡。微小型四旋翼飛行器的迅速發展，逐漸成為人們關注的焦點。

1.2 無人機應用領域

無人機在軍用領域及民用領域都得到廣泛應用。在軍用領域，可用作戰術無人偵察機執行偵察搜索［7］、無人戰斗機、訓練飛行員的靶機等。在民用領域，利用它易操作、實時性好等特點，廣泛運用于農業、種植業、林牧業、旅游業、拯救瀕危物種等各個領域。

2 無人機硬件結構

2.1 無人機結構

無人機的動力組成主要為無刷電機、螺旋槳、電子調速器等，控制系統主要由飛行控制器、遙控器等組成，動力儲備由電池、充電器等組成。其結構組成示意圖如圖1所示。

圖1

2.2 飛行控制系統

無人機飛行控制系統是指能夠穩定無人機飛行姿態，并能控制無人機自主或半自主飛行的控制系統。

無人機飛控主要由陀螺儀，加速計，地磁感應，氣壓傳感器，超聲波傳感器，光流傳感器，GPS模塊，以及控制電路組成［9］。無人機飛控內含測量飛行控制所需的測量元件及利用輸出信號驅動旋翼轉動的執行機構等。

無人機飛控可將遙控器的輸入命令對應電機動力的輸出大小，并將飛控感知量與期望姿態產生誤差進行對比，通過PID進行調節。利用地面站查看實時飛行數據，實現控制參數的在線修改。根據飛行的指令和要求，結合空置率給出控制信號并控制執行機構，改變飛行器的姿態和位置。最終達到自動保持飛機的正常飛行姿態的目的。

2.3 電子調速器

電子調速器（ESC）是一個控制發電機轉速的控制裝置。它根據接受的電信號，通過控制器和執行器來改變輸出量的大小。

無人機電調中含有速度感受元件、驅動執行器執行的控制器及相關執行器、微處理器、驅動電路、無刷電機、等裝置。

無人機電調可分析受外界干擾的輸出量與標準輸入量之間的差距，從而進行調節來適應環境的變化，達到輸出穩定電壓、調整電機轉速的目的，使無人機正常運行。

2.4 電機

無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品[10]。它可以通過改變輸入電流的交變頻率和波形，在繞組線圈周圍形成磁場，進而驅動轉子的永磁磁鋼轉動。

相較于有刷電機，無刷電機在運轉時不會產生電火花，減少了電火花對遙控無線電設備的干擾。同時減小了運轉時產生的摩擦力，保證了運行順暢，有利于模型運行的穩定性。從長遠來看，無刷電機的使用壽命長，維護成本較低，能夠更持久的滿足運行的需要。

3 基于實時操作系統的無人機飛控系統的設計

3.1 實時操作系統概述

3.1.1 選用實時操作系統的必要性

實時是一種用物理時鐘衡量的時間概念，它要求系統必須在所指定的時間段內完成計算、處理、執行等任務。

實時操作系統是指能在規定的時間內做出有界限的、能預測的響應的計算系統。相較于之前不含有實時操作系統的設備而言，裝有實時操作系統的設備能夠快速處理復雜的代碼，準確的進行任務劃分，滿足生產的需要。因此，實時操作系統被廣泛應用于無人機嵌入式設備當中，這就使得嵌入式設備具有實時性、任務并發性、可分配和可反饋性。

3.1.2 無人機飛控系統的作用，流程

一套完整的飛控系統軟件應該具有飛行模式切換；數據采集；姿態解算與控制計算；與導航及地面站的通信；接收GPS等導航信息；控制輸出量等功能［11］。完成這一系列的功能模塊需要飛控系統的合理調度。為了滿足實時性和可調度性等要求，飛控系統利用調度算法對復雜的任務進行合理的劃分，并賦予不同的任務以不同且唯一的優先級（優先級的數值越小，優先級別越高），優先級越高的任務首先獲得CPU的控制權，并將其他優先級低的任務放置于就緒隊列中，當優先級高的任務完成后，飛控系統內核會繼續調度在就緒隊列中優先級較高的任務并進行處理，分配CPU控制權。直到運行完所有任務。

例如，在無人機嵌入式設備中，控制無人機運動速度、運動航向、姿態變化、通信導航等硬式任務，需要很高實時性的任務，會被賦予較高優先級；而相比之下，控制熒光燈發光、周期性采集數據等任務則屬于軟式任務，其要求的實時性不高，如果失敗，不會對系統造成較大影響，則會被賦予較低優先級而滯后運行。

通過管理任務來管理系統的所有的應用任務，完成對各個任務進行全局調度［12］。

3.2 基于實時操作系統的飛控系統分析

3.2.1 功能模塊分析

通過總結“匿名”無人機中飛行控制系統的代碼，對無人機所涉及到的函數進行功能模塊分析。

表1

由此可見，每個周期內需要處理的主要工作有：

（1）數據傳輸：飛行控制系統與地面站交互。

（2）傳感器數據處理：包括六軸傳感器、磁羅盤、高度計等。六軸傳感器測量飛行器各個坐標軸分量上的速度和加速度，磁羅盤測量機頭指向方向，高度計測量當前無人機高度。

（3）姿態解算：解算當前的無人機在三維空間中的姿態及指向，但并不處理速度，后者由六軸傳感器直接測出。

（4）飛行控制：外環控制將當前無人機角度（來源于姿態解算）和期望的無人機角度（來源于遙控器YAW、PIT、ROL通道）作為輸入，通過PID算法解算出調節姿態所需要的變化速率，即角速度。內環控制將外環輸出的角速度期望值和無人機角速度當前值（來源于六軸傳感器）作為輸入，通過PID算法解算出角加速度，輸出給電機進行飛行控制。

（5）其他任務：包括無人機PID參數的同步，當前飛行模式的檢查、切換，LED燈的控制等。

3.2.2 飛控系統數據流圖分析

由源碼分析可知，四旋翼無人機飛行控制系統由多核功能模塊組成。而且各模塊之間存在著明顯的數據依賴關系。例如數據傳輸模塊運行之前必須先執行姿態解算模塊；運行姿態解算模塊之前，必須先讀取磁羅盤以及六軸傳感器的數據等。故對于該系統，做出數據流圖進行系統的任務分析是很有必要的，如圖2所示。

一方面，無人機上的接收機能夠接受來自用戶從遙控器發出的遙控信號，接收機將遙控信號與傳感器接收到的外界信號在控制器中進行交互，輸出PWM信號驅動電機運轉；另一方面，控制器能夠將目前無人機的飛行狀態通過數據傳輸模塊反饋給地面站，地面站根據反饋的情況動態進行校準，校準信號通過數據傳輸模塊對控制器進行發送，進行校準電機的轉速，改變飛行姿態。

在這里，暫不對自主飛行模塊進行討論。

3.2.3 飛控系統任務劃分

圖2

通過系統模塊及源碼分析，識別出了該四旋翼無人機飛行控制系統的所有功能以及它們之間的數據流關系，并且得到了相對完整的數據流圖，通過數據流圖，識別出可并行的功能，并把可并行、相對獨立的功能單元抽象成一個系統任務。本節首先分析任務劃分的原則，再針對該分析控制系統的任務劃分進行分析。

根據DARTS的任務劃分原則，對四旋翼無人機飛行控制系統進行任務劃分，如表2所示。

表2

3.2.4 任務依賴關系及優先級的確定

在明確了飛控系統的任務間數據關系，以及各任務的劃分情況后，接下來需要對任務進行優先級及相互依賴關系的確立。

雖然整個系統由多個任務組成，但是對于某個特定輸入來說，并不是所有任務都要參與它的處理過程，因此可以將各個與輸入有關的任務提取出來，構成一個子系統。可以將任務數據流中第一個任務的優先級設為最低。從第二個任務開始，先運行的任務的優先級高于等于后運行的任務的優先級。這樣設計，可以令新數據的到達不對前面數據的處理造成過多的打斷，系統輸出結果的時間是確定的；還可以避免后來數據對前面數據的搶斷，保證輸出時間的確定性。根據以上優先級設置的原則，該四旋翼無人機飛行控制系統的數據依賴關系及優先級設置如圖3所示。

T0為初始化任務，暫時設置為最高的優先級，初始化結束之后即使用任務刪除函數進行刪除；接著運行T1接收遙控信號；其次，通過T4姿態解算得到的數據，運行外、內環控制模塊；最后進行數據傳輸模塊。除此之外，還有T6，該任務為一些實時性較低的函數集合，包括參數檢查、LED等控制等。

通過對函數功能模塊的劃分、任務的確立以及各任務之間優先級的確立。進一步說明了無人機的飛行控制系統在實時操作系統的協助下，能夠在滿足飛行要求的前提下，進一步提高系統的實時性、可靠性。

4 總結與展望

4.1 總結

無人機領域滲透入其他各個領域，本文首先通過事實闡述無人機應用的優點，并對無人機發展歷程、應用領域、發展趨勢等方面進行整體概述；結合圖示對無人機的構造及各部件的功能作了硬件設計；闡述了無人機飛控系統的代碼、功能、模塊等方面的基本概念，對任務優先級的劃分做了綜述。經過設計表明，配有實時操作系統的無人機設備能夠具備很高的實時性，滿足飛行要求。但由于缺少實踐，對無人機實際操作中的相關問題在本文中沒有做到明確地闡述。

圖3

4.2 展望

經過大量論文的研究表明，盡管無人機發展迅速，但與人們理想的效果仍有一些差距，還面臨著巨大挑戰。但不可否認，無人機的發展具有很大潛能，隨著技術的突破和性能的改進，無人機被廣泛應用于各界已為期不遠了。在今后的研究中，還會要將無人機的理論基礎和實踐操作結合起來進行研究，進而對無人機的各方面作更全面的闡述。