VxWorks操作系统在无人直升机控制系统有什么应用？

自主飞行无人直升机的研究是现今多学科交叉研究的热点与难点。无人直升机在炮兵射击训练、战场监视、输电线路巡视，森林火灾状况观测等军用与民用方面都有着广泛的作用。自从1917年英国研制出世界上第一架无人机，无人机已经经历了无人靶机、预编程序控制无人侦察机、指令遥控无人侦察机、复合控制和自主飞行多用途无人机的发展过程，现今无人直升机研究在于自主飞行控制。现今无人直升机任务多样化和远距离作业需求，对无人直升机远距离通信和控制提出了更高要求。

张敏

2019-11-7 15:51:12

自从1917年英国研制出世界上第一架无人机，无人机已经经历了无人靶机、预编程序控制无人侦察机、指令遥控无人侦察机、复合控制和自主飞行多用途无人机的发展过程，现今无人直升机研究在于自主飞行控制。现今无人直升机任务多样化和远距离作业需求，对无人直升机远距离通信和控制提出了更高要求【1】。

在无人直升机控制系统设计中采用实时操作系统是现今研究的重点与热点。VxWorks是专门为实时嵌入式系统设计开发的32位操作系统，它高性能内核和友好用户开发界面使得VxWorks成为目前嵌入式系统领域使用最广泛、市场占有率最高的系统。把VxWorks操作系统应用到机载控制计算机中，可以满足无人直升机信息处理的实时性要求。机载控制计算机需要控制无人直升机上多个设备，同时还需要与地面基站系统通信，VxWorks操作系统良好的多任务调度功能可以满足多任务需求。同时VxWorks操作系统具备体积小、可裁减和支持多种CPU的高性能【2】，使得无人直升机控制系统在硬件选取上具备很高的灵活性。
VxWorks操作系统提供了多网口的源代码驱动，支持TCP与UDP协议、远程调用、远程文件访问、文件输出、远程命令执行等强大网络通信功能，同时它的开发工具Tornado界面友好，调试方便【3】。这些特点缩短了控制系统的开发周期，达到了预期的效果。

系统设计

1.1 控制系统整体结构

无人直升机控制系统包括以下七个部分：无人直升机、机载控制计算机、机载平衡模块、机载导航模块、手动遥控模块、地面基站与其他机载模块，其他机载模块根据系统扩展的需要进行添加【4】。系统的结构图见图一

图一无人直升机控制系统结构图

通过手动遥控使无人直升机起飞，起飞后遥控器触动多路选择器，把无人直升机的控制权交与机载控制计算机。机载控制计算机开始传输飞行状态数据给地面基站。地面基站发送自主飞行命令给机载控制计算机使得它启动自主定点飞行任务，控制无人直升机定点飞行，
飞行任务结束后返回状态信息给地面基站。

1.2 控制系统硬件结构

此无人直升机控制系统的控制对象是模型直升机JRVoyager GS R260, 机载导航模块包括Crescent的GPS与Honeywell HMR3300型号的电子罗盘。机载控制计算机是由三星公司生产的16/32位RISC处理器S3C44B0X搭建的硬件平台，控制系统硬件结构图见图二。

图二无人直升机控制系统硬件结构图

图二中由于S3C44B0X的UART单元提供了两个独立的异步串行I/O端口，每个端口都可以在DMA模式下工作，使得CPU和串行I/O口之间直接进行数据传输，另外GPS与电子罗盘提供的是标准RS-232接口，这与S3C44B0X系统所定义的高低电平不同，所以需要通过电平转换芯片MAX232C来进行转换。由于S3C44B0X片内不带以太网接口，所以选用RTL8039作为以太网接口芯片与地面基站控制系统进行通信。S3C44B0X根据内部程序输出5路PWM波控制无人直升机的5个舵机，完成自主定点飞行任务。74LS128芯片作为多路选择器，切换手动遥控模式与自主定点飞行模式。另外还扩展大容量的外部寄存器，其中8MB的HY57V641620作为SDRAM存储器存储程序运行中的中间数据，2MB的SST39VF1601存储器作为FLASH存储源程序。

1.3 控制系统软件设计

无人直升机控制系统的软件包含四大部分:一是根据S3C44B0X重新配置VxWorks系统的BSP。二是基于优先级的消息队列实现，消息队列中包含飞行状态信息与自主定点飞行信息。三是基于看门狗与信号量的多任务调度，实现自主定点飞行与实时飞行状态信息传输的功能。四是基站控制软件的设计。系统上电后初始化socket套接字，网络联通后采用UDP协议通信。下面将着重介绍基于优先级的消息队列与基于信号量与看门狗的多任务调度。

李磊

2019-11-7 15:51:23

受到警告

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肖晓新

2019-11-7 15:51:27

本文作者创新点：

利用高性能内核的VxWorks操作系统到无人直升机控制系统中，实现了基于VxWorks的无人模型直升机实时传输状态信息与不间断控制舵机自主定点飞行的同步，通过与基于优先级的消息队列技术结合有效解决了飞行控制系统实时传输与基站命令相应的同步性问题。

参考文献:
[1]吴森堂，费玉华.飞行控制系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005
[2]桂肖敏，罗飞，曹建忠.嵌入式操作系统VxWorks在ARM芯片上的应用[J]. 微计算机信息，2006，22：101-103
[3]Tornado User’s Guide Windows Version 2.0.first edition,http://www.windriver.com/pdf/win_guide.pdf,2003
[4]V Gabriele, A Sternberg, M Dahleh et. a Avionics System For a Small Unmanned Helicopter Performing Aggressive Maneuvers[C].In 19th AIAA Digital Avionics Systems Conference,Philadelphia,PA,2000
[5]王金刚.基于VxWorks的嵌入式实时系统设计[M].北京：清华大学出版社，2004

作者简介:江宏伟(1980－),男（汉）,河南息县人，硕士研究生, 主要研究方向为控制理论与控制工程；罗飞(1957－),男（汉）教授,博士生导师,主要研究领域为人工智能、运动控制系统；陈治明（1981－），男（汉），博士研究生，主要研究领域为智能控制与应用。
通信地址：华南理工大学自动化科学与工程学院，广东广州 510640

贾飞小

2019-11-7 15:53:46

1 前言

自主飞行无人直升机的研究是现今多学科交叉研究的热点与难点。无人直升机在炮兵射击训练、战场监视、输电线路巡视，森林火灾状况观测等军用与民用方面都有着广泛的作用。自从1917年英国研制出世界上第一架无人机，无人机已经经历了无人靶机、预编程序控制无人侦察机、指令遥控无人侦察机、复合控制和自主飞行多用途无人机的发展过程，现今无人直升机研究在于自主飞行控制。现今无人直升机任务多样化和远距离作业需求，对无人直升机远距离通信和控制提出了更高要求【1】。

在无人直升机控制系统设计中采用实时操作系统是现今研究的重点与热点。VxWorks是专门为实时嵌入式系统设计开发的32位操作系统，它高性能内核和友好用户开发界面使得VxWorks成为目前嵌入式系统领域使用最广泛、市场占有率最高的系统。把VxWorks操作系统应用到机载控制计算机中，可以满足无人直升机信息处理的实时性要求。机载控制计算机需要控制无人直升机上多个设备，同时还需要与地面基站系统通信，VxWorks操作系统良好的多任务调度功能可以满足多任务需求。同时VxWorks操作系统具备体积小、可裁减和支持多种CPU的高性能【2】，使得无人直升机控制系统在硬件选取上具备很高的灵活性。
VxWorks操作系统提供了多网口的源代码驱动，支持TCP与UDP协议、远程调用、远程文件访问、文件输出、远程命令执行等强大网络通信功能，同时它的开发工具Tornado界面友好，调试方便【3】。这些特点缩短了控制系统的开发周期，达到了预期的效果。

系统设计

1.1 控制系统整体结构

无人直升机控制系统包括以下七个部分：无人直升机、机载控制计算机、机载平衡模块、机载导航模块、手动遥控模块、地面基站与其他机载模块，其他机载模块根据系统扩展的需要进行添加【4】。系统的结构图见图一

图一无人直升机控制系统结构图

通过手动遥控使无人直升机起飞，起飞后遥控器触动多路选择器，把无人直升机的控制权交与机载控制计算机。机载控制计算机开始传输飞行状态数据给地面基站。地面基站发送自主飞行命令给机载控制计算机使得它启动自主定点飞行任务，控制无人直升机定点飞行，
飞行任务结束后返回状态信息给地面基站。

1.2 控制系统硬件结构

此无人直升机控制系统的控制对象是模型直升机JRVoyager GS R260, 机载导航模块包括Crescent的GPS与Honeywell HMR3300型号的电子罗盘。机载控制计算机是由三星公司生产的16/32位RISC处理器S3C44B0X搭建的硬件平台，控制系统硬件结构图见图二。

图二无人直升机控制系统硬件结构图

图二中由于S3C44B0X的UART单元提供了两个独立的异步串行I/O端口，每个端口都可以在DMA模式下工作，使得CPU和串行I/O口之间直接进行数据传输，另外GPS与电子罗盘提供的是标准RS-232接口，这与S3C44B0X系统所定义的高低电平不同，所以需要通过电平转换芯片MAX232C来进行转换。由于S3C44B0X片内不带以太网接口，所以选用RTL8039作为以太网接口芯片与地面基站控制系统进行通信。S3C44B0X根据内部程序输出5路PWM波控制无人直升机的5个舵机，完成自主定点飞行任务。74LS128芯片作为多路选择器，切换手动遥控模式与自主定点飞行模式。另外还扩展大容量的外部寄存器，其中8MB的HY57V641620作为SDRAM存储器存储程序运行中的中间数据，2MB的SST39VF1601存储器作为FLASH存储源程序。

1.3 控制系统软件设计

无人直升机控制系统的软件包含四大部分:一是根据S3C44B0X重新配置VxWorks系统的BSP。二是基于优先级的消息队列实现，消息队列中包含飞行状态信息与自主定点飞行信息。三是基于看门狗与信号量的多任务调度，实现自主定点飞行与实时飞行状态信息传输的功能。四是基站控制软件的设计。系统上电后初始化socket套接字，网络联通后采用UDP协议通信。下面将着重介绍基于优先级的消息队列与基于信号量与看门狗的多任务调度。

李咏琪

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张敏

李磊

肖晓新

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