小型无人机飞控系统软件架构与实现

【摘 要】飞行控制系统是小型无人机（简称UAV）的核心系统之一，飞控系统软件分为机载软件和地面软件两部分，机载和地面软件配合使用，完成产生和传输控制指令，使飞机达到给定的飞行状态，按期望的轨迹飞行，并实现对干扰的抑制，应急处理等一系列工作。本文从软件系统架构层面介绍了一种小型无人机飞控软件的具体设计，经实际工程应用，该软件架构设计合理、模块划分恰当，具有较高的可靠性。

【关键词】小型无人机；飞控机载软件；飞控地面软件；软件架构

Software Architecture and Implementation of Small UAV Flight Control System

CHANG Qing-li

（East China Research Institute of Electronics Engineering， Hefei Anhui 230088， China）

【Abstract】The flight control system is one of the core of small unmanned aircraft system.As its importance role in supporting the flight control software is self-evident.The flight control software consist of two parts，airborne software and the ground. software. Airborne software and the ground complete production and the transfer control instruction，to specify the aircraft flight status， according to the desired trajectory of flying， and realize the interference suppression， emergency treatment and so on a series of work. This paper introduced the architecture of the software for a small UAV flight control system.

【Key words】Small unmanned aircraft； Automatic airborne software； Ground software； Software architecture

0 引言

无人机（简称UAV）是一种体积小、重量轻、安全性好、成本低廉、可携带多种任务设备、执行多种任务，、并能重复使用的无人驾驶航空器[1-2]信息化技术不断进步，无人机在现代电子战中获得了迅猛发展。飞行控制系统软件做为无人机的核心软件，对无人机系统至关重要。在顶层软件设计时，采用先进合理的软件架构，对飞控软件完成系统功能、提高系统性能，降低错误出现概率、提高软件可靠性和安全性有很大益处。

1 软件需求分析

在设计软件之前，需要针对系统的软件部分调查、分析用户和利益相关方的需要，在飞控系统内，需要通过机载软件实时完成对无人机的控制和命令响应，在地面软件进行人机操作和状态显示，具体需求分析如下。

1）需要具有机载软件；

2）需要具有地面软件；

3）机载软件需要是实时操作系统，快速完成控制和命令响应；

4）机载软件具有基本通信功能，可和测控电台进行通信、并可读写端口信息；

5）机载软件具有自主飞行控制功能；

6）机载软件具有传感器管理功能；

7）机载软件具有执行机构输出能；

8）机载软件具有应急处理功能；

9）地面软件具有地图显示及飞行状态显示功能；

10）地面软件具有飞行计划拟订、保存、上传功能；

11）地面软件具有飞行控制功能；

12）地面软件具有传感器设置和显示功能；

13）地面软件具有遥测数据显示功能；

14）地面软件具有飞前检查功能；

15）地面软件具有日志记录和重演功能，并根据不同权限可以提供日志记录、查询、修改、删除、报表查看功能；

16）地面软件界面简洁、直观、友好，便于用户操作。

2 软件系统组成

2.1 软件CSCI（计算机软件配置项）划分

飞控软件由机载软件和地面软件两个CSCI组成，其软件体系结构图如图1。

1）机载软件

机载软件融行控制计算机硬件平台中，通过飞控计算机硬件模块与无人机设备、机载传感器以及执行机构连接，采集无人机的设备的状态信息和机载传感器输入信息，按照设计的飞行控制方案，实时解算出对设备和执行机构的控制量，并通过硬件接口模块对外为设备和执行机构输出控制。

2）地面软件

地面显控软件运行在WINDOW XP下，是自驾仪和用户之间的人机接口，主要实现的功能有：无人机地面飞行任务的设定；无人机地面链路状态和传感器设备工作状态的确认；无人机执行机构方向设置舵机校准参数表、进行舵机测试、脉冲激励响应试验； 设置IMU传感器的安装方位欧拉角、GPS天线到IMU的位置参数、磁传感器校准及大气传感器的初始误差；设置遥测接收频率；设置高度极限，GPS、数据链及手动指令的超时设置，设置应急航路点及应急处理程序及动作等功能。

3 软件模块划分

3.1 机载软件模块划分

机载软件采用VxWorks实时操作系统，主要划分为六个功能模块。

1）自主飞行

无人机爬升到一定高度，进入自主导航飞行。自主导航飞行是指由控制系统自动控制无人机按照规定的航向飞行。航线由多个航点构成，飞行控制计算机根据传感器采集到当前的飞行高度、经纬度、航向等信息，计算出无人机预定的航线和实际的位置以及预定航向和实际航向的偏差，协调控制升降舵、方向舵和副翼舵，完成无人机按照预定航线飞行的任务。

2）遥自切换管理

当无人机接收到接收机传送的自主遥控切换指令时，无人机进入目测遥控飞行模式。在该模式下，飞机操控手可根据目测的无人机飞行姿态和高度，操控舵面，完成飞机遥控飞行任务。当飞控计算机接收到地面站发出的自主遥控切换指令时，无人机进入地面站遥控飞行模式。当目测遥控和地面站遥控同时请求遥控权操作飞机飞行时，优先处理目测遥控飞行请求。

3）应急处理

飞行控制计算机对全系统中设备和飞行状态进行监测，根据地面制订的应急处理措施，对其中的典型故障进行自动优选处理。对出现故障及时提示地面控制人员，地面人员可根据实际情况优先决策和应急处理

4）执行机构输出

执行机构的控制指令输出是完成无人机执行机构的输出，执行机构输出包括：升降舵、方向舵、副翼舵、襟翼舵、油门、点火盒和前轮舵。

5）传感器管理

飞行控制系统的传感器主要包括：（1）高度空速传感器；（2）惯导组合导航设备。机载软件中的传感器数据综合处理模块，完成传感器采集到的高度和速度信息到飞控计算机的通信，并进行比较选择输入。当在GPS故障模式下，选用高度空速传感器作为控制系统的高度输入。

6）链路数据管理

按照约定的通信协议控系统发送过来的数据信息[3]并将无人机各状态信息打包，完成无人机状态数据的下传。

3.2 地面软件模块划分

地面软件运行在WINDOW XP下，主要划分为九个功能模块。

1）飞前检查

飞行前检查模块的主要功能是在无人机飞行前对飞机状态的检查，主要包括舵机控制面的测试、电池电压和电流的检查、飞行任务计划的检查、应急任务的检查、无人机传感器组状态的检查和一些其它检查及系统初始数据设置界面，舵面检测、留空时间设置等。

2）地图显示

地图显示的主要功能是显示地图，并提供对地图的放大、缩小、漫游、测距操作，显示当前鼠标位置的地理坐标，显示当前飞机位置及航线。

3）航线管理

插入航路点、编辑航路点、删除航路点。新建飞行计划、保存飞行计划、查看飞行计划、修改飞行计划、删除飞行计划、读取飞行计划、发送飞行计划。

4）遥控飞行

在地面站进行遥控飞机飞行状态，包括爬升，平飞，下滑，向左，向右，直飞状态。

5）系统参数设置

系统参数设置模块主要由以下5个模块组成：通信模式设置模块、控制律设置模块、舵面设置模块、传感器设置模块和应急处理设置模块。

6）系统参数显示

显示时间、供电、板内温度、记录仪状态、参数锁定、数据链、系统版本信息。

7）遥测状态显示

显示传感器状态数据，实时显示传感器采集的无人机飞行数据[4]，主要包括温度、静压、动压、三轴陀螺角速度、三轴加速度、角偏差、加速度偏差、磁传感器。显示实时飞行参数，GPS数据、姿态数据、大气数据、风速、AD采集、燃油、高度、导航、导航滤波、磁航向。

8）飞行状态图形显示

图形方式显示当前飞机的状态。

9）记录重演

按照定义格式记录当前命令控制、系统状态、遥测数据、飞行姿态信息到文件，存储到本地硬盘，并可以在本地离线重演。

4 小结

本文从软件副总设计师角度介绍了小型无人机飞控软件需求分析、系统架构、模块划分，界面。工程应用实践证明，该软件功能齐全、模块划分合理，可靠性高，取得了很好的效果。

【参考文献】

[1]王泉，张学宏，周敏刚，黄晖.无人机飞控软件测试方法研究[J].航空计算技术，2008，3.

[2]宁金星，卢京潮，闫建国.基于VC++的无人机飞控地面站软件的开发[J].计算机测量与控制，2009，17（3）.

[3]吴益明.无人机遥控遥测数据的实时处理研究[J].计算机测量与控制，2006， 14（5）：681-682.

[4]张志强，孙宁.基于VB 的实体浮力测量系统监控软件设计[J].计算机测量与控制，2007，15（12）：1844-1846.