摘要：小型四旋翼無人機廣泛應(yīng)用在專業(yè)級航拍、農(nóng)業(yè)植保、軍事偵察、設(shè)備巡檢等領(lǐng)域。目前飛行控制系統(tǒng)多采用前后臺系統(tǒng)來實現(xiàn)，當系統(tǒng)規(guī)模較大，處理模塊增多時，實時性很難得到保障。本文首先對無人機領(lǐng)域發(fā)展情況進行概述，其次詳細闡述了無人機的外部結(jié)構(gòu)、部件功能等硬件組成，最后對無人機通過實時操作系統(tǒng)設(shè)計后的飛控系統(tǒng)控進行分析。通過分析可知，經(jīng)過實時操作系統(tǒng)設(shè)計的飛行控制系統(tǒng)能夠滿足飛行要求，并具有一定的實時性、可靠性。

0 引言

無人機是一種由動力驅(qū)動，無人駕駛且重復(fù)使用的航空器簡稱。其體積小、成本低，可裝配制導(dǎo)系統(tǒng)、機載雷達系統(tǒng)、傳感器及攝像機等設(shè)備，用途廣泛并且不易造成人員傷亡［1］。無人機飛行控制系統(tǒng)是一個多任務(wù)系統(tǒng), 要求不僅能夠采集傳感器數(shù)據(jù)、進行飛控/導(dǎo)航計算、驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)等, 還要求可靠性高、實時性強［2］。由于傳統(tǒng)無人機所運用的數(shù)據(jù)復(fù)雜且繁多，使其在操作上靈活度不高，不具有實時性。實時操作系統(tǒng)會簡化復(fù)雜的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)集合化，條理化。如將實時操作系統(tǒng)應(yīng)用于無人機中，能夠完善功能檢查，功能維護，做到實時性，高靈活性，并延長無人機的使用壽命。近年來學(xué)術(shù)界在性能、應(yīng)用等方面對搭載了實時操作系統(tǒng)的無人機進行了深入研究，極大地推動了無人機的發(fā)展。

文獻［4］從機構(gòu)設(shè)計和飛行控制兩方面介紹了微小型四旋翼飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀，敘述了小型四旋翼飛行器的發(fā)展技術(shù)路線。在飛控系統(tǒng)的原理和功能層面，文獻［3］主要利用UML例圖來系統(tǒng)地描述了飛控系統(tǒng)的構(gòu)造，并從整體、靜態(tài)、動態(tài)角度刻畫飛控系統(tǒng)的性能指標；文獻［5］闡述了飛控系統(tǒng)的基本原理并引入實時內(nèi)核，對調(diào)度管理和通信機制給出了詳細設(shè)計和分析。本文將回顧并總結(jié)在無人機領(lǐng)域的發(fā)展問題，并對無人機的飛控系統(tǒng)設(shè)計進行綜述。

1 無人機整體概述 1.1 發(fā)展背景及發(fā)展歷程

無人駕駛飛機是一種有動力、可控制、能攜帶多種任務(wù)設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，并能重復(fù)使用的無人駕駛航空器，簡稱無人機，英文上常用unmanned aerial vehicle表示，縮寫為UAN。早在1907年，Bruet—Richet就讓世界上第一架四旋翼飛行器“Gyroplane No．1”升上了天空［6］。但由于構(gòu)造復(fù)雜、不易操縱等原因，大型四旋翼飛行器的發(fā)展一直都比較緩慢。20世紀60、70年代，隨著美蘇之間冷戰(zhàn)形式的加劇，無人機得到了廣泛應(yīng)用。美國將無人機用語軍事偵察，情報獲取，無線電干擾等軍用屬性。近年來，隨著新型材料以及飛行控制等技術(shù)的進步，無人機逐漸向微小型、實時性、可操作性強的方向過渡。微小型四旋翼飛行器的迅速發(fā)展，逐漸成為人們關(guān)注的焦點。

1.2 無人機應(yīng)用領(lǐng)域

無人機在軍用領(lǐng)域及民用領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。在軍用領(lǐng)域，可用作戰(zhàn)術(shù)無人偵察機執(zhí)行偵察搜索［7］、無人戰(zhàn)斗機、訓(xùn)練飛行員的靶機等。在民用領(lǐng)域，利用它易操作、實時性好等特點，廣泛運用于農(nóng)業(yè)、種植業(yè)、林牧業(yè)、旅游業(yè)、拯救瀕危物種等各個領(lǐng)域。

2 無人機硬件結(jié)構(gòu) 2.1 無人機結(jié)構(gòu)

無人機的動力組成主要為無刷電機、螺旋槳、電子調(diào)速器等，控制系統(tǒng)主要由飛行控制器、遙控器等組成，動力儲備由電池、充電器等組成。其結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示。

圖1

2.2 飛行控制系統(tǒng)

無人機飛行控制系統(tǒng)是指能夠穩(wěn)定無人機飛行姿態(tài)，并能控制無人機自主或半自主飛行的控制系統(tǒng)。

無人機飛控主要由陀螺儀，加速計，地磁感應(yīng)，氣壓傳感器，超聲波傳感器，光流傳感器，GPS模塊，以及控制電路組成［9］。無人機飛控內(nèi)含測量飛行控制所需的測量元件及利用輸出信號驅(qū)動旋翼轉(zhuǎn)動的執(zhí)行機構(gòu)等。

無人機飛控可將遙控器的輸入命令對應(yīng)電機動力的輸出大小，并將飛控感知量與期望姿態(tài)產(chǎn)生誤差進行對比，通過PID進行調(diào)節(jié)。利用地面站查看實時飛行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)控制參數(shù)的在線修改。根據(jù)飛行的指令和要求，結(jié)合空置率給出控制信號并控制執(zhí)行機構(gòu)，改變飛行器的姿態(tài)和位置。最終達到自動保持飛機的正常飛行姿態(tài)的目的。

2.3 電子調(diào)速器

電子調(diào)速器（ESC）是一個控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速的控制裝置。它根據(jù)接受的電信號，通過控制器和執(zhí)行器來改變輸出量的大小。

無人機電調(diào)中含有速度感受元件、驅(qū)動執(zhí)行器執(zhí)行的控制器及相關(guān)執(zhí)行器、微處理器、驅(qū)動電路、無刷電機、等裝置。

無人機電調(diào)可分析受外界干擾的輸出量與標準輸入量之間的差距，從而進行調(diào)節(jié)來適應(yīng)環(huán)境的變化，達到輸出穩(wěn)定電壓、調(diào)整電機轉(zhuǎn)速的目的，使無人機正常運行。

2.4 電機

無刷直流電機由電動機主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品[10]。它可以通過改變輸入電流的交變頻率和波形，在繞組線圈周圍形成磁場，進而驅(qū)動轉(zhuǎn)子的永磁磁鋼轉(zhuǎn)動。

相較于有刷電機，無刷電機在運轉(zhuǎn)時不會產(chǎn)生電火花，減少了電火花對遙控無線電設(shè)備的干擾。同時減小了運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的摩擦力，保證了運行順暢，有利于模型運行的穩(wěn)定性。從長遠來看，無刷電機的使用壽命長，維護成本較低，能夠更持久的滿足運行的需要。

3 基于實時操作系統(tǒng)的無人機飛控系統(tǒng)的設(shè)計 3.1 實時操作系統(tǒng)概述

3.1.1 選用實時操作系統(tǒng)的必要性

實時是一種用物理時鐘衡量的時間概念，它要求系統(tǒng)必須在所指定的時間段內(nèi)完成計算、處理、執(zhí)行等任務(wù)。

我們在那里立了好久，俯視著那沒有肉的臉上令人莫測的齜牙咧嘴的樣子。那尸體躺在那里，顯出一度是擁抱的姿勢，但那比愛情更能持久、那戰(zhàn)勝了愛情的熬煎的永恒的長眠已經(jīng)使他馴服了。他所遺留下來的肉體已在破爛的睡衣下腐爛，跟他躺著的木床粘在一起，難分難解了。在他身上和他身旁的枕上，均勻地覆蓋著一層長年累月積下來的灰塵。

實時操作系統(tǒng)是指能在規(guī)定的時間內(nèi)做出有界限的、能預(yù)測的響應(yīng)的計算系統(tǒng)。相較于之前不含有實時操作系統(tǒng)的設(shè)備而言，裝有實時操作系統(tǒng)的設(shè)備能夠快速處理復(fù)雜的代碼，準確的進行任務(wù)劃分，滿足生產(chǎn)的需要。因此，實時操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于無人機嵌入式設(shè)備當中，這就使得嵌入式設(shè)備具有實時性、任務(wù)并發(fā)性、可分配和可反饋性。

3.1.2 無人機飛控系統(tǒng)的作用，流程

一套完整的飛控系統(tǒng)軟件應(yīng)該具有飛行模式切換；數(shù)據(jù)采集；姿態(tài)解算與控制計算；與導(dǎo)航及地面站的通信；接收GPS等導(dǎo)航信息；控制輸出量等功能［11］。完成這一系列的功能模塊需要飛控系統(tǒng)的合理調(diào)度。為了滿足實時性和可調(diào)度性等要求，飛控系統(tǒng)利用調(diào)度算法對復(fù)雜的任務(wù)進行合理的劃分，并賦予不同的任務(wù)以不同且唯一的優(yōu)先級（優(yōu)先級的數(shù)值越小，優(yōu)先級別越高），優(yōu)先級越高的任務(wù)首先獲得CPU的控制權(quán)，并將其他優(yōu)先級低的任務(wù)放置于就緒隊列中，當優(yōu)先級高的任務(wù)完成后，飛控系統(tǒng)內(nèi)核會繼續(xù)調(diào)度在就緒隊列中優(yōu)先級較高的任務(wù)并進行處理，分配CPU控制權(quán)。直到運行完所有任務(wù)。

改革創(chuàng)新是水利事業(yè)發(fā)展的源泉和動力。10年來，中央財政在加大投入的同時，發(fā)揮職能作用，積極完善政策，推動水利重點領(lǐng)域改革破冰前行。

例如，在無人機嵌入式設(shè)備中，控制無人機運動速度、運動航向、姿態(tài)變化、通信導(dǎo)航等硬式任務(wù)，需要很高實時性的任務(wù)，會被賦予較高優(yōu)先級；而相比之下，控制熒光燈發(fā)光、周期性采集數(shù)據(jù)等任務(wù)則屬于軟式任務(wù)，其要求的實時性不高，如果失敗，不會對系統(tǒng)造成較大影響，則會被賦予較低優(yōu)先級而滯后運行。

通過管理任務(wù)來管理系統(tǒng)的所有的應(yīng)用任務(wù)，完成對各個任務(wù)進行全局調(diào)度［12］。

3.2 基于實時操作系統(tǒng)的飛控系統(tǒng)分析

3.2.1 功能模塊分析

通過總結(jié)“匿名”無人機中飛行控制系統(tǒng)的代碼，對無人機所涉及到的函數(shù)進行功能模塊分析。

表1

周期（ms） 函數(shù) 功能1 ANO_DT_Data_Exchange 數(shù)傳通信定時調(diào)用2 MPU6050_Read 讀取mpu6軸傳感器2 MPU6050_Data_Prepare mpu6軸傳感器數(shù)據(jù)處理2 IMUupdate IMU姿態(tài)解算2 CTRL_1 內(nèi)環(huán)角速度控制2 RC_Duty 遙控器通道數(shù)據(jù)處理5 CTRL_2 外環(huán)角度控制10 ANO_AK8975_Read 獲取電子羅盤數(shù)據(jù)20 Parameter_Save PID參數(shù)配置50 mode_check 飛行模式50 LED_Duty LED燈控制50 Ultra_Duty 超聲波高度計控制

由此可見，每個周期內(nèi)需要處理的主要工作有：

（1）數(shù)據(jù)傳輸：飛行控制系統(tǒng)與地面站交互。

（2）傳感器數(shù)據(jù)處理：包括六軸傳感器、磁羅盤、高度計等。六軸傳感器測量飛行器各個坐標軸分量上的速度和加速度，磁羅盤測量機頭指向方向，高度計測量當前無人機高度。

（3）姿態(tài)解算：解算當前的無人機在三維空間中的姿態(tài)及指向，但并不處理速度，后者由六軸傳感器直接測出。

本研究將調(diào)查對象鎖定為在南寧動物園游玩的家庭型游客。為保證被調(diào)查對象符合研究條件，研究者將調(diào)查地點定于南寧動物園大門前，被調(diào)查對象必須是從園內(nèi)游玩出園的家庭型游客，問卷由被調(diào)查者獨立完成，并通過訪談獲得被調(diào)查者的信息。調(diào)查于2017年10月24日開始至11月6日結(jié)束，共發(fā)放調(diào)查問卷220份，收回有效問卷214份，有效問卷回收率97%。

（4）飛行控制：外環(huán)控制將當前無人機角度（來源于姿態(tài)解算）和期望的無人機角度（來源于遙控器YAW、PIT、ROL通道）作為輸入，通過PID算法解算出調(diào)節(jié)姿態(tài)所需要的變化速率，即角速度。內(nèi)環(huán)控制將外環(huán)輸出的角速度期望值和無人機角速度當前值（來源于六軸傳感器）作為輸入，通過PID算法解算出角加速度，輸出給電機進行飛行控制。

SATB1、Wnt1、β-catenin、Vimentin、Snail在對照組肝組織中顯著表達(P<0.05)，在實驗組和預(yù)防組中表達降低；E-cadherin在對照組肝組織中表達降低，而在實驗組和預(yù)防組表達升高。各抗體的表達抑制率具體結(jié)果見表2。各組經(jīng)統(tǒng)計學(xué)檢驗(P<0.05)，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

（5）其他任務(wù)：包括無人機PID參數(shù)的同步，當前飛行模式的檢查、切換，LED燈的控制等。

3.2.2 飛控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖分析

由源碼分析可知，四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)由多核功能模塊組成。而且各模塊之間存在著明顯的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系。例如數(shù)據(jù)傳輸模塊運行之前必須先執(zhí)行姿態(tài)解算模塊；運行姿態(tài)解算模塊之前，必須先讀取磁羅盤以及六軸傳感器的數(shù)據(jù)等。故對于該系統(tǒng)，做出數(shù)據(jù)流圖進行系統(tǒng)的任務(wù)分析是很有必要的，如圖2所示。

一方面，無人機上的接收機能夠接受來自用戶從遙控器發(fā)出的遙控信號，接收機將遙控信號與傳感器接收到的外界信號在控制器中進行交互，輸出PWM信號驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)；另一方面，控制器能夠?qū)⒛壳盁o人機的飛行狀態(tài)通過數(shù)據(jù)傳輸模塊反饋給地面站，地面站根據(jù)反饋的情況動態(tài)進行校準，校準信號通過數(shù)據(jù)傳輸模塊對控制器進行發(fā)送，進行校準電機的轉(zhuǎn)速，改變飛行姿態(tài)。

在這里，暫不對自主飛行模塊進行討論。

3.2.3 飛控系統(tǒng)任務(wù)劃分

圖2

通過系統(tǒng)模塊及源碼分析，識別出了該四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)的所有功能以及它們之間的數(shù)據(jù)流關(guān)系，并且得到了相對完整的數(shù)據(jù)流圖，通過數(shù)據(jù)流圖，識別出可并行的功能，并把可并行、相對獨立的功能單元抽象成一個系統(tǒng)任務(wù)。本節(jié)首先分析任務(wù)劃分的原則，再針對該分析控制系統(tǒng)的任務(wù)劃分進行分析。

根據(jù)DARTS的任務(wù)劃分原則，對四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)進行任務(wù)劃分，如表2所示。

表2

任務(wù)名 主要函數(shù)/文件 功能 周期（ms）Task_Init All_Init 初始化 —Task_RC RC_Duty 接收遙控信號 2 Task_OuterLoop CTRL_2 外環(huán)控制 5 Task_InnerLoop CTRL_1, 內(nèi)環(huán)控制 2 Task_IMU ak8975.c,imu.c，mpu6050.c 姿態(tài)解算 2 Task_Data data_transfer.c 數(shù)傳 1 Task_50 Parameter.c,mode_check,LED,Ultra參數(shù)、模式檢查，LED，超聲波 50

3.2.4 任務(wù)依賴關(guān)系及優(yōu)先級的確定

在明確了飛控系統(tǒng)的任務(wù)間數(shù)據(jù)關(guān)系，以及各任務(wù)的劃分情況后，接下來需要對任務(wù)進行優(yōu)先級及相互依賴關(guān)系的確立。

雖然整個系統(tǒng)由多個任務(wù)組成，但是對于某個特定輸入來說，并不是所有任務(wù)都要參與它的處理過程，因此可以將各個與輸入有關(guān)的任務(wù)提取出來，構(gòu)成一個子系統(tǒng)?？梢詫⑷蝿?wù)數(shù)據(jù)流中第一個任務(wù)的優(yōu)先級設(shè)為最低。從第二個任務(wù)開始，先運行的任務(wù)的優(yōu)先級高于等于后運行的任務(wù)的優(yōu)先級。這樣設(shè)計，可以令新數(shù)據(jù)的到達不對前面數(shù)據(jù)的處理造成過多的打斷，系統(tǒng)輸出結(jié)果的時間是確定的；還可以避免后來數(shù)據(jù)對前面數(shù)據(jù)的搶斷，保證輸出時間的確定性。根據(jù)以上優(yōu)先級設(shè)置的原則，該四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系及優(yōu)先級設(shè)置如圖3所示。

T0為初始化任務(wù)，暫時設(shè)置為最高的優(yōu)先級，初始化結(jié)束之后即使用任務(wù)刪除函數(shù)進行刪除；接著運行T1接收遙控信號；其次，通過T4姿態(tài)解算得到的數(shù)據(jù)，運行外、內(nèi)環(huán)控制模塊；最后進行數(shù)據(jù)傳輸模塊。除此之外，還有T6，該任務(wù)為一些實時性較低的函數(shù)集合，包括參數(shù)檢查、LED等控制等。

通過對函數(shù)功能模塊的劃分、任務(wù)的確立以及各任務(wù)之間優(yōu)先級的確立。進一步說明了無人機的飛行控制系統(tǒng)在實時操作系統(tǒng)的協(xié)助下，能夠在滿足飛行要求的前提下，進一步提高系統(tǒng)的實時性、可靠性。

4 總結(jié)與展望 4.1 總結(jié)

無人機領(lǐng)域滲透入其他各個領(lǐng)域，本文首先通過事實闡述無人機應(yīng)用的優(yōu)點，并對無人機發(fā)展歷程、應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展趨勢等方面進行整體概述；結(jié)合圖示對無人機的構(gòu)造及各部件的功能作了硬件設(shè)計；闡述了無人機飛控系統(tǒng)的代碼、功能、模塊等方面的基本概念，對任務(wù)優(yōu)先級的劃分做了綜述。經(jīng)過設(shè)計表明，配有實時操作系統(tǒng)的無人機設(shè)備能夠具備很高的實時性，滿足飛行要求。但由于缺少實踐，對無人機實際操作中的相關(guān)問題在本文中沒有做到明確地闡述。

圖3

4.2 展望

經(jīng)過大量論文的研究表明，盡管無人機發(fā)展迅速，但與人們理想的效果仍有一些差距，還面臨著巨大挑戰(zhàn)。但不可否認，無人機的發(fā)展具有很大潛能，隨著技術(shù)的突破和性能的改進，無人機被廣泛應(yīng)用于各界已為期不遠了。在今后的研究中，還會要將無人機的理論基礎(chǔ)和實踐操作結(jié)合起來進行研究，進而對無人機的各方面作更全面的闡述。

音樂要服從于詩歌是格魯克歌劇創(chuàng)作的基本原則。正如他在歌劇《阿爾采斯特》宗譜序言里提到的，音樂應(yīng)該“幫助加強詩歌的表情并祈禱促使劇情發(fā)展的作用”，而不是“用多余的裝飾去阻礙動作和劇情”。歌劇的一切表現(xiàn)手段都要與劇情的發(fā)展相關(guān)?！白非笮缕鎺缀鯖]有價值，除非它們出于情景和表情的需要。”基于這個原則，格魯克對意大利正歌劇的歌唱部分、樂隊部分、舞蹈和舞臺布景等各個環(huán)節(jié)進行改革，避免了一切因為歌唱者或作曲家而出現(xiàn)的錯誤。

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