小型无人机控制与仿真环境设计

摘要

随着无人机功能的增强以及控制精度的提高，飞行控制软件的实时性和可靠性受到了严峻的挑战。完备的仿真测试环境是保证无人机飞行控制软件安全的一个重要手段，它可以有效地验证飞行控制逻辑的正确性、检测飞行控制系统中存在的缺陷，提高飞行的可靠性。鉴于此，本文以某样例无人机为对象，设计开发了适用于小型无人机的控制与仿真环境。
　　本文首先分析了国内外小型无人机常用的控制与仿真环境的组织架构，给出了由控制软件、三维视景仿真等模块构成的控制与仿真环境的技术方案。然后,结合小型无人机控制与仿真环境的软硬件特点，将μC/OS-II实时操作系统移植到基于MPC565的飞行控制系统后，开发了基于TouCAN控制器的CAN总线的底层驱动模块，构建了飞行控制软件的运行环境。在此基础上，根据飞行控制软件对实时性要求以及μC/OS-II运行特点，按照模块化设计思想，确定了飞行控制软件任务优先级的分配方案，开发了事件管理、遥控遥测、状态监测、控制律解算、导航制导等关键飞行控制软件模块，实现了样例无人机的飞行控制功能。接着，使用LabVIEW设计开发了飞行控制软件与FlightGear软件间的CAN通信接口软件，实现了基于FlightGear内置六自由度数字飞机模型的三维可视化仿真和基于遥测数据驱动的三维可视化仿真，解决了飞行控制系统的逻辑验证与综合仿真测试等问题。
　　最后，对样例无人机的控制与仿真环境的自主飞行、指令飞行、人工飞行、故障处置、三维可视化仿真等功能进行了半物理仿真测试。测试结果表明：控制与仿真环境各项功能正确、有效，满足了无人机飞行控制及综合测试的要求。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 无人机控制与仿真环境

1.3 国内外研究情况

1.4 本文研究内容以及章节安排

第二章 无人机控制与仿真环境构成

2.1 引言

2.2 系统构成

2.3 飞行控制软件的开发环境

2.4 FlightGear内部结构组成

2.5 本章小结

第三章 飞行控制软件运行环境的设计

3.1 引言

3.2μC/OS-II在MPC565上的移植

3.3 CAN总线驱动的设计与开发

3.4 本章小结

第四章 飞行控制软件功能模块的设计与实现

4.1 引言

4.2 飞行控制软件的模块划分

4.3 飞行控制软件的任务优先级分配

4.4 事件管理模块

4.5 无线测控模块

4.6 状态监测模块

4.7 控制律解算模块

4.8 导航制导模块

4.9 本章小结

第五章 基于FlightGear仿真技术的设计与实现

5.1 引言

5.2 基于FlightGear内部模型仿真技术的设计

5.3 基于FlightGear三维视景仿真技术的设计

5.4 本章小结

第六章 软件集成测试与验证

6.1 引言

6.2 实时性验证

6.3 飞行控制软件的功能性验证

6.4 FlightGear仿真功能的验证

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本文研究工作的总结

7.2 后续工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文