基于qnx的无人直升机飞行控制平台系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及飞行控制平台系统，尤其涉及一种无人直升飞机的飞行控制平台系 统。
[0002]
【背景技术】
[0003] 无人直升机是一个多学科交叉耦合的具有挑战性的前沿研宄方向，涉及带无人直 升机的机械结构、空气动力学、飞行动力学、系统建模、传感器数据融合、捷联导航系统、嵌 入式系统等领域。一套完整的无人直升机控制平台由航空电子系统、导航系统、地面站系统 组成： 1.航空电子系统是无人直升机的基本组件，主要分为硬件系统、软件系统。硬件系统至 少有一个MCU或计算机系统及相关的扩展板组成，实现在线分析飞行数据、运行控制算法、 与地面站通信、记录必要的飞行数据。
[0004] 2.导航系统由航姿参考系统、位置参考系统组成，其中航姿参考系统向航空电子 系统提供飞行必要的飞行姿态数据，位置参考系统提供飞行器实际所在位置的相关信息。
[0005] 3.地面站系统由地面站软件以及无线通讯设备组成，通过无线通讯设备与无人直 升机交互信息，实时监测无人直升机的。
[0006]目前无人直升机通常选取嵌入式计算机作为机载核心控制板，配合外扩功能板组 成航空电子系统的硬件系统。导航系统有INS(inertialnavigationsystem，惯性导航 系统）和GPS导航系统。惯性导航系统由典型的三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计组 成，能够提供无人直升机的实际飞行姿态；GPS导航系统可提供无人直升机所在位置的经 炜度、航速、高度等信息。
[0007] 在无人直升机领域国外研宄起步早，取得较多研宄成果。其中斯坦福大学研制的 hummingbird直升机，采用差分截波相位全球定位系统作为导航系统，通过机体上的四个 GPS接收机来检测无人直升机的飞行姿态和航向信息，没有使用惯性导航仪、高度计等繁杂 的设备，可实现自主悬停。但其没有使用惯性导航系统，无人直升机的动态航姿动态性能 较差，飞行控制律难以设计；MIT大学研制的Xcell-60无人直升机采用GPS、六自由度MU (惯性测量单元)、三轴磁力计组成导航系统，实现自主悬停；新加坡国立大学先后研制的 HeLion和SheLion无人直升机，可实现基于视觉的轨迹跟踪。航空电子系统由2块PC104 的板卡、一个完整的MNAV模块(集成MEMS技术的IMU模块、磁力计、GPS接收机)。
[0008] 国内对无人直升机的研宄起步较晚，技术相对落后，但也取得不少研宄成果。目前 许多高校和研宄所对无人直升机领域进行深入的研宄，比如西北工业大学、哈尔滨工业大 学、南京航空航天大学、浙江大学等。其中浙江大学李平教授指导的论文《微型无人直升机 飞行控制系统软件仿真与系统设计》介绍了无人直升机的软件仿真，该文主要结合各个数 学模型，对无人直升机系统进行仿真设计，并且该无人直升机系统的姿态子系统、导航子系 统不完善，也没能够进行实物试验，但其对无人直升机系统的仿真验证取得较大的研宄成 果。
[0009]
【发明内容】
[0010] 为了解决现有技术中的问题，本发明针对国内无人直升机飞行控制平台软、硬件 的不足，提出基于QNX的无人直升机飞行控制平台系统，同时也改进系统软件的管理架构， 通过系统模块化设计提高软件的健壮性，保障无人直升机软件系统运行的安全性和稳定 性，同时也提高系统的实时性能。
[0011] 本发明通过以下技术方案实现： 一种基于QNX的无人直升机飞行控制平台系统，所述系统包括机载航空电子系统、地 面站系统以及手动控制系统；所述机载航空电子系统包括核心控制板、传感器采集电路板、 舵机驱动电路板、XTend无线模块以及遥控信号接收器；其中，核心控制模块为PC104嵌入 式计算机，所述PC104用于运行QNX实时操作系统，并运行机载软件系统，所述机载软件系 统包括姿态解算算法、数据融合算法、飞行控制算法；所述机载航空电子系统通过遥控信号 接收器、XTend无线模块分别与所述手动控制系统、所述地面站系统通讯，获取手动控制系 统的控制信号、地面站系统的控制命令以及将实时的飞行位置姿态等数据发送到地面站系 统，以供实时监测无人直升机的飞行状态；所述核心控制板与传感器采集电路板的MCU通 讯，获取无人直升机的实时飞行参数数据；核心控制板与舵机驱动电路板的MCU通讯，获取 手动控制系统的遥控器信号，同时将无人直升机的舵机控制信号输出到各个舵机，以控制 所述无人直升机。
[0012] 作为本发明的进一步改进，所述核心控制板通过串行通信拓展板接收GPS接收机 的数据；所述机载航空电子系统还包括惯性导航系统INS，所述软件系统还包括基于拓展 卡尔曼滤波EKF算法的INS/GPS组合导航系统，通过EKF算法将INS测得的姿态数据和GPS 卫星数据进行融合，得到更加准确的无人直升机飞行控制平台的位置数据和姿态数据。
[0013] 作为本发明的进一步改进，所述传感器采集电路板包括MCU、惯性测量单元MU、 磁力计和气压计；其中，所述MU采用SPI通信协议，气压计采用I2C通信协议，磁力计采用 TTL电平的串口通信协议。
[0014] 作为本发明的进一步改进，所述舵机驱动电路板包括MCU和舵机驱动器，其中，所 述舵机驱动器包括可恢复型保险丝保护舵机和电源，同时采用光耦隔离技术，隔离外接设 备对MCU的干扰。
[0015] 作为本发明的进一步改进，所述机载软件系统基于QNXNeutrino实时操作系统开 发，使用多线程系统框架，执行多任务；为了有效的实现自动控制，采用了基于PIOS架构的 层次化、模块化结构，对无人机的各种操作通过各个模块来组织。
[0016] 作为本发明的进一步改进，所述地面站包括前台、后台和内核；其中，前台直接与 终端用户交互，主要为用户提供一个简单易用、界面友好的图形化界，后台用于数据传输， 通过无线信道与机载软件模块通讯。本发明的有益效果是：本发明提出的基于QNX的无人 直升机飞行控制平台系统，解决了目前无人直升机飞行控制平台搭载的处理器的运算速度 较慢、整体体积过大、运行功耗较高、机载软件控制系统的实时性能、安全性能缺乏保障的 问题。采用实时性能非常好的QNX实时操作系统，搭载高性能低功耗的PC104核心控制板， 运用姿态解算算法、数据融合算法、飞行控制算法，实现自主无人直升机飞行控制平台的自 主飞行。同时也改进系统软件的管理架构，通过系统模块化设计提高软件的健壮性，保障无 人直升机软件系统运行的安全性和稳定性，同时也提高系统的实时性能。
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【附图说明】
[0018] 图1是本发明的基于QNX的无人直升机控制平台系统示意图； 图2是本发明的无人直升机硬件结构框图； 图3是传感器采集电路的电路原理图； 图4是遥控信号与舵机驱动电路的电路原理图； 图5是机载软件模块间的数据共享示意图； 图6是机载软件结构示意图； 图7是地面站层次结构图。
[0019]
【具体实施方式】
[0020] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0021] 本发明提供了一套完整的基于QNX的无人直升机控制平台，并为无人直升机控制 系统制定一套基于EKF(拓展卡尔曼滤波)算法的INS/GPS组合导航系统。INS/GPS组合导 航系统通过EKF算法将INS(惯性导航系统)测得的姿态数据(包括三轴陀螺仪数据、三轴加 速度计数据、三轴电子罗盘数据、气压计数据)，GPS导航系统接收到的卫星数据进行融合， 得到更加准确的无人直升机飞行控制平台的位置数据和姿态数据，为无人直升机提供一套 廉价的位置、姿态参考系统。针对无人直升机的运动特点设计飞行控制律，包括俯仰控制、 横滚控制、航向控制、定高控制、定点控制。
[0022] 本发明的无人直升机飞行控制平台系统，如附图1所示，由机载航空电子系统、地 面站系统以及手动控制系统组成，该控制平台系统对无线电遥控直升机进行控制以及接收 无线电遥控直升机发送的数据。其中，机载航空电子系统通过无线设备(遥控接收机、XTend 无线模块）分别与手动控制系统、地面站系统通讯，获取手动控制系统的控制信号、地面站 系统的控制命令。同时，将无人直升机的飞行参数传回地面站系统，用于实时监测无人直升 机的飞行状态。航空电子系统通过控制无线电遥控直升机的舵机，改变无线电遥控直升机 的飞行动作，再通过机载的INS(惯性导航系统）测量无线电遥控直升机的实际姿态数据， 实现航空电子系统控制无线电遥控直升机。
[0023] 航空电子系统包括硬件系统和软件系统，其中硬件系统分为核心控制模块与外扩 模块，核心控制模块为PX104嵌入式计算机，外扩模块包括位姿单元、通讯单元、控制信号 输入输出单元；软件系统包括姿态解算算法、飞行控制算法、地面站软件。
[0024] 对于小型为人直升机飞行控制器，目前主要采用基于PC104的嵌入式计算机系 统。PC104协会针对于工业领域嵌入式应用制定的一种嵌入式计算机标准。PC104标准采 用针套式连接器，可以在强干扰和振动的环境保证数据传输的可靠性，是为一些特殊嵌入 式计算环境而设计，这些特点特别适合于无人直升机飞行器。PC104的这种连接方式也集成 了其他模块，比如图像数据采集模块、模/数转换板、串行通信扩展板、电源板等，集成过程 中不需要对系统进行重新配置，因而有更好的兼容性。
[0025] 无人直升机硬件结构框图如附图2所示。核心控制板PC104运行QNXNeutrino实 时操作系统，并运行机载软件系统。核心控制板与传感器采集电路板的MCU(STM32F405)通 讯，获取无线电遥控直升机的实时飞行数据（ADI16355为MU即惯性测量单元、HMR3000为 电子罗盘、MS5611为气压计);核心控制板与遥控信号和舵机驱动电路板的MCU(STM32F103) 通讯，获取手动控制系统的遥控器信号，同时将无线电遥控直升机的舵机控制信号输出到 各个舵机；核心控制板通过Xtend无线设备与地面站系统通讯，获取地面站系统的控制命 令以及将实时的飞行位置姿态等数据发送到地面站系统，以供实时监测无人直升机的飞行 状态；核心控制板通过串行通信拓展板接收GPS接收机的数据，并预留两路