無(wú)人機(jī)課程設(shè)計(jì)模板

1、S HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY 結(jié)課論文 無(wú)人機(jī)課程結(jié)課論文題目：基于VxWorks的無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院(系): 土木學(xué)院 專 業(yè): 工程力學(xué) 班 級(jí)： 13-2 姓 名: 張芙豪 學(xué) 號(hào): 311307090221 成 績(jī)： 任課教師： 趙運(yùn)基 2016年 6 月 12 日 目 錄1.報(bào)告摘要32.目的意義33.設(shè)計(jì)內(nèi)容43.1控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)43.2控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)43.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)53.4基于優(yōu)先級(jí)的消息隊(duì)列53.5 基于看門狗的多任務(wù)調(diào)度6 3.6地面基站控制效果圖74.結(jié)束語(yǔ)8參考文獻(xiàn)81.報(bào)告摘要 組建了一種基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系

2、統(tǒng)VxWorks平臺(tái)的無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)人直升機(jī)飛行狀態(tài)信息傳輸，接收地面基站命令后完成自主定點(diǎn)飛行任務(wù)。主要利用基于優(yōu)先級(jí)的消息隊(duì)列方法和嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks的信號(hào)量與看門狗定時(shí)功能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)間調(diào)度，獲得飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)向地面基站傳輸與自主定點(diǎn)飛行的同步。通過(guò)實(shí)驗(yàn)飛行，該系統(tǒng)的正確性與可靠性得到了驗(yàn)證。2.目的意義 畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)自己大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的一個(gè)融合和總結(jié)，平常我們所學(xué)到的知識(shí)是零散的理論的，畢業(yè)設(shè)計(jì)可以把我們學(xué)到的這些知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐當(dāng)中去。這次實(shí)習(xí)是為了在畢業(yè)進(jìn)入社會(huì)前，將自己的理論知識(shí)與實(shí)踐融合，并且完成從理論到實(shí)踐的過(guò)渡 我認(rèn)為大學(xué)生的實(shí)習(xí)是自我完善的重要的一

3、步，也是大學(xué)生正視社會(huì)和正視自己，走出自我，真正融入社會(huì)生活工作的第一步，而且很多時(shí)候通過(guò)實(shí)踐，尤其在不同的職業(yè)中的實(shí)踐才會(huì)真正找到自己感興趣并適合自己的行業(yè)，也是完成從空想到現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)變的第一步。 通過(guò)實(shí)習(xí)我們可以快速?gòu)膶W(xué)校到職業(yè)的轉(zhuǎn)變，為以后的工作做充足的準(zhǔn)備。通過(guò)實(shí)習(xí)，可以學(xué)會(huì)如何用理論解決實(shí)際問(wèn)題，我們可以把畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)做一個(gè)項(xiàng)目，學(xué)習(xí)如何查閱資料，如何解決實(shí)際問(wèn)題，如何與他人溝通。在實(shí)習(xí)期間，需要我們一個(gè)人面對(duì)眾多的難題，獨(dú)立思考，每一個(gè)難題都是一個(gè)考驗(yàn)，也是一個(gè)突破自我的機(jī)會(huì)。實(shí)習(xí)要求我們不能懈怠，必須務(wù)實(shí)苦干，也鍛煉了自己的意志。大一期間，我學(xué)習(xí)了51單片機(jī)，并熟練掌握。大二期間，我又

4、學(xué)習(xí)了STM32單片機(jī)，這次實(shí)習(xí)，是我對(duì)自己所學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，增加了我對(duì)理論知識(shí)的深刻理解，在此期間，我遇到過(guò)很多困難和問(wèn)題，在導(dǎo)師的幫助下，順利解決了這些問(wèn)題，并讓我對(duì)相關(guān)知識(shí)有了更深的理解。 總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)畢業(yè)實(shí)習(xí)，我能夠用理論聯(lián)系實(shí)際，用自己所學(xué)的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，學(xué)會(huì)了用更清楚的眼光看待問(wèn)題，用更多不同的方法去解決困難，學(xué)習(xí)到了更多。經(jīng)過(guò)了四年大學(xué)的學(xué)習(xí)，畢業(yè)實(shí)習(xí)是人才培養(yǎng)方案的重要環(huán)節(jié)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。在實(shí)習(xí)指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，使學(xué)生將所學(xué)基本理論、基本知識(shí)與社會(huì)實(shí)踐相結(jié)合，迅速轉(zhuǎn)化為實(shí)際工作能力，增強(qiáng)適應(yīng)市場(chǎng)需要的能力。3.設(shè)計(jì)內(nèi)容畢業(yè)設(shè)計(jì)題目-基

5、于VxWorks的無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1   控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)包括以下七個(gè)部分：無(wú)人直升機(jī)、機(jī)載控制計(jì)算機(jī)、機(jī)載平衡模塊、機(jī)載導(dǎo)航模塊、手動(dòng)遠(yuǎn)控模塊、地面基站與其他機(jī)載模塊，其他機(jī)載模塊根據(jù)系統(tǒng)擴(kuò)展的需要進(jìn)行添加【4】。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖一 圖一 無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 通過(guò)手動(dòng)遠(yuǎn)控使無(wú)人直升機(jī)騰飛，騰飛后遠(yuǎn)控器觸動(dòng)多路選擇器，把無(wú)人直升機(jī)的控制權(quán)交與機(jī)載控制計(jì)算機(jī)。機(jī)載控制計(jì)算機(jī)開(kāi)始傳輸飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)給地面基站。地面基站發(fā)送自主飛行命令給機(jī)載控制計(jì)算機(jī)使得它啟動(dòng)自主定點(diǎn)飛行任務(wù)，控制無(wú)人直升機(jī)定點(diǎn)飛行，飛行任務(wù)結(jié)束后返回狀態(tài)信息給地面基站。3.2&

6、#160;  控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)此無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象是模型直升機(jī)JRVoyager GS R260, 機(jī)載導(dǎo)航模塊包括Crescent的GPS與HONEYWELL HMR3300型號(hào)的電子羅盤。機(jī)載控制計(jì)算機(jī)是由三星公司生產(chǎn)的16/32位RISC處理器S3C44B0X搭建的硬件平臺(tái)，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖二。圖二中由于S3C44B0X的UART單元提供了兩個(gè)獨(dú)立的異步串行I/O端口，每個(gè)端口都可以在DMA模式下工作，使得CPU和串行I/O口之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，另外GPS與電子羅盤提供的是標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，這與S3C44B0X系統(tǒng)所定義的高低電平不同，所以需要通過(guò)電平轉(zhuǎn)換

7、芯片MAX232C來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于S3C44B0X片內(nèi)不帶以太網(wǎng)接口，所以選用RTL8039作為以太網(wǎng)接口芯片與地面基站控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。S3C44B0X根據(jù)內(nèi)部程序輸出5路PWM波控制無(wú)人直升機(jī)的5個(gè)舵機(jī)，完成自主定點(diǎn)飛行任務(wù)。74LS128芯片作為多路選擇器，切換手動(dòng)遠(yuǎn)控模式與自主定點(diǎn)飛行模式。另外還擴(kuò)展大容量的外部寄存器，其中8MB的HY57V641620作為SDRAM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序運(yùn)行中的中間數(shù)據(jù)，2MB的SST39VF1601存儲(chǔ)器作為FLASH存儲(chǔ)源程序。圖二 無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3.3   控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)的軟件包含四大部分:一是根據(jù)

8、S3C44B0X重新配置VxWorks系統(tǒng)的BSP。二是基于優(yōu)先級(jí)的消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，消息隊(duì)列中包含飛行狀態(tài)信息與自主定點(diǎn)飛行信息。三是基于看門狗與信號(hào)量的多任務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)自主定點(diǎn)飛行與實(shí)時(shí)飛行狀態(tài)信息傳輸?shù)墓δ?。四是基站控制軟件的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)上電后初始化socket套接字，網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通后采用UDP協(xié)議通訊。下面將著重先容基于優(yōu)先級(jí)的消息隊(duì)列與基于信號(hào)量與看門狗的多任務(wù)調(diào)度。3.4 基于優(yōu)先級(jí)的消息隊(duì)列在控制系統(tǒng)中，不能由于執(zhí)行機(jī)載設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸命令而拒盡執(zhí)行地面基站的自主飛行命令。為解決這一題目，本控制系統(tǒng)建立了基于優(yōu)先級(jí)的消息隊(duì)列機(jī)制。系統(tǒng)在RAM中開(kāi)辟一個(gè)區(qū)域用于建立消息隊(duì)列，隊(duì)列中指針指向的是各

9、個(gè)信息的內(nèi)存塊地址。各個(gè)任務(wù)將根據(jù)這些指針指向的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行實(shí)際操縱。（1）基于優(yōu)先級(jí)的消息隊(duì)列方法。首先信息接收任務(wù)接收信息后根據(jù)信息頭地址內(nèi)容判定信息優(yōu)先級(jí)，地面基站的自主飛行命令優(yōu)先級(jí)為最高，把它插進(jìn)到消息隊(duì)列的隊(duì)列頭，而機(jī)載電子羅盤與GPS發(fā)送的數(shù)據(jù)信息優(yōu)先級(jí)低，按照時(shí)間順序排列在消息隊(duì)列的隊(duì)列尾。信息解釋任務(wù)從消息隊(duì)列頭逐一取出信息然后進(jìn)行處理。（2）消息隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)單向鏈表來(lái)實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列的添加與刪除。每個(gè)鏈表元素是一個(gè)結(jié)構(gòu)體STruct messageChain，結(jié)構(gòu)體包含頭指針pBuff與指向下一個(gè)元素的指針pNext。同時(shí)使用兩個(gè)全局變量直接表示鏈表頭與鏈表尾，一個(gè)全局變量表

10、示鏈表長(zhǎng)度，這樣可以直接處理鏈表頭或者鏈表尾的內(nèi)容以簡(jiǎn)化查找過(guò)程。3.5基于看門狗的多任務(wù)調(diào)度VxWorks系統(tǒng)可以為每個(gè)任務(wù)設(shè)定特定的任務(wù)名與任務(wù)優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)支持256個(gè)優(yōu)先級(jí)。為了調(diào)試的方便，在本控制系統(tǒng)中設(shè)定的任務(wù)優(yōu)先級(jí)在60到100之間，這是由于由程序發(fā)起的任務(wù)優(yōu)先級(jí)要高于Tornado開(kāi)發(fā)環(huán)境中shell發(fā)起sp的任務(wù)優(yōu)先級(jí)即小于100，同時(shí)也要低于系統(tǒng)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)即大于60【5】。控制系統(tǒng)包含了信息接收任務(wù)，信息解釋任務(wù)，信息發(fā)送任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)任務(wù)，定時(shí)輪詢?nèi)蝿?wù)，自主飛行任務(wù)等多任務(wù)。流程圖見(jiàn)圖三。圖三 任務(wù)調(diào)度流程圖 任務(wù)的操縱使用的是VxWorks系統(tǒng)中的taskLib()與t

11、askInfo()庫(kù)函數(shù)?？撮T狗時(shí)鐘精確定時(shí)用到函數(shù)wdCreate(),wdStart()等,任務(wù)間的同步調(diào)度使用的是信號(hào)量，包括有二進(jìn)制信號(hào)量與計(jì)數(shù)信號(hào)量。信息接收任務(wù)把網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔凑崭叩蛢?yōu)先級(jí)在消息隊(duì)列中添加元素，并存放信息到特定的內(nèi)存塊中，然后啟動(dòng)計(jì)數(shù)型的信號(hào)量，信號(hào)量的值對(duì)應(yīng)于當(dāng)前消息隊(duì)列中還沒(méi)有被執(zhí)行命令的個(gè)數(shù)，每增加一個(gè)消息命令后，計(jì)數(shù)型信號(hào)量就開(kāi)釋，消息解釋任務(wù)獲得開(kāi)釋的信號(hào)量后從消息隊(duì)列頭獲得最應(yīng)被優(yōu)先執(zhí)行的命令，根據(jù)內(nèi)存中的首地址信息，調(diào)用相應(yīng)的執(zhí)行函數(shù)。假如判定是無(wú)人直升機(jī)飛行狀態(tài)信息，調(diào)用信息發(fā)送任務(wù)把實(shí)時(shí)信息傳送給地面基站。如判定是無(wú)人直升機(jī)自主飛行命令，則調(diào)用

12、自主飛行任務(wù),在此任務(wù)中要定時(shí)查詢無(wú)人直升機(jī)飛行狀態(tài)信息并與命令中信息做比較，控制舵機(jī)動(dòng)作以完成自主定點(diǎn)飛行任務(wù)。在定時(shí)查詢機(jī)載設(shè)備信息以確定飛行狀態(tài)時(shí)，用taskDelay()函數(shù)不能滿足精確定時(shí)的要求。VxWorks系統(tǒng)提供得看門狗它可以保證嚴(yán)格的定時(shí)，在調(diào)用自主飛行任務(wù)時(shí)創(chuàng)建看門狗。經(jīng)過(guò)1s的時(shí)間延時(shí)后運(yùn)行查詢無(wú)人直升機(jī)飛行狀態(tài)信息的函數(shù),比較信息后控制舵機(jī)動(dòng)作，直到完成無(wú)人直升機(jī)的自主定點(diǎn)飛行任務(wù)后取消看門狗。切換到信息發(fā)送任務(wù)，發(fā)送飛行狀態(tài)信息到地面基站監(jiān)控系統(tǒng)。3.6 地面基站控制效果圖軟件界面可以直觀的顯示控制系統(tǒng)效果，同時(shí)便于調(diào)試與觀察直升機(jī)的實(shí)際飛行狀況。基站控制軟件應(yīng)用VC

13、編譯器的套節(jié)字socket與基于信號(hào)量的多線程技術(shù)通過(guò)C+語(yǔ)言進(jìn)行編譯?？刂菩Ч麍D中顯示無(wú)人直升機(jī)自主定點(diǎn)飛行時(shí)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息：當(dāng)前高度、設(shè)定高度、東西間隔、南北間隔、方位角、俯仰角、測(cè)滾角等。實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互功能，是控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的必備平臺(tái)。地面基站控制效果圖見(jiàn)圖四圖四 地面基站控制效果圖4 結(jié)束語(yǔ)本文對(duì)無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)從硬件與軟件兩個(gè)方面進(jìn)行了闡述，并應(yīng)用了先進(jìn)與高性能的實(shí)時(shí)操縱系統(tǒng)VxWorks，通過(guò)VxWorks多任務(wù)調(diào)度時(shí)的快速切換響應(yīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)的自主飛行。并且通過(guò)實(shí)際的多次實(shí)驗(yàn)飛行與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人模型直升機(jī)自主飛行的任務(wù)，取得了預(yù)期的效果。參考文獻(xiàn)1吳森堂，費(fèi)玉華飛行控制系統(tǒng)北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.2桂肖敏，羅飛，曹建忠嵌入式操作系統(tǒng)在芯片上的應(yīng)用微計(jì)算機(jī)信息，200622：101-103.3王金剛基于的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)北京：清華大學(xué)出版社，2004作者簡(jiǎn)介：江宏偉（1980），男（漢），河南息縣人，碩士