胡澤龍，孫 剛，徐 智

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

無人直升機從起步到如今，一直飽受關(guān)注。無人直升機重量輕，體積小，能夠更有效地完成多種特殊任務(wù)。飛控系統(tǒng)作為無人直升機的飛行控制核心，對于飛行安全以及任務(wù)的順利完成，起到十分關(guān)鍵的作用。飛控應(yīng)用軟件是飛控系統(tǒng)的關(guān)鍵軟件，對于飛控系統(tǒng)能夠順利飛行更是起到?jīng)Q定性作用。

某型無人機飛控軟件基于μC/OS-II操作系統(tǒng)編寫，采取單一余度管理，對于整體飛控系統(tǒng)要求很高。而采用VxWorks作為操作系統(tǒng)，進行雙余度設(shè)計，能夠有效地避免單一余度失效導(dǎo)致的各種問題，在單機狀態(tài)下依舊可以順利地完成飛行任務(wù)，提高了飛控系統(tǒng)的可靠性。

本文通過對某型無人直升機進行改進，實現(xiàn)一款基于VxWorks操作系統(tǒng)的，采用雙余度架構(gòu)的無人直升機飛控系統(tǒng)應(yīng)用軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)該型無人直升機飛行控制與管理系統(tǒng)的主要任務(wù)，穩(wěn)定直升機姿態(tài)(俯仰、橫滾)和航向，控制發(fā)動機風(fēng)門和直升機飛行航跡(爬升、下降、巡航、左右盤旋、懸停等)，完成從起飛到降落整個過程的飛行管理，包括對動力裝置、機載電氣設(shè)備和任務(wù)設(shè)備的管理、故障診斷及處理等多項任務(wù)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 VxWorks 操作系統(tǒng)

VxWorks是專門為實時嵌入式系統(tǒng)而開發(fā)的操作系統(tǒng)，提供了高效的實時多任務(wù)調(diào)度、中斷管理，實時的系統(tǒng)資源以及實時的任務(wù)間通信等功能支持，并為應(yīng)用與各種CPU平臺提供了統(tǒng)一的編程接口和一致的運行特性，為程序開發(fā)提供了方便[1-3]。應(yīng)用程序員可以將盡可能多的精力投入軟件開發(fā)，而較少地關(guān)注系統(tǒng)資源的管理。

VxWorks的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中包括進程管理、存儲管理、文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及系統(tǒng)應(yīng)用等幾個部分[1][3]。本文實現(xiàn)軟件僅采用部分VxWorks系統(tǒng)功能，集成開發(fā)環(huán)境采用Tornado II進行開發(fā)，采用C語言程序設(shè)計。

圖1 VxWorks 體系結(jié)構(gòu)

1.2 飛控計算機即軟件平臺

飛控計算機硬件設(shè)備作為飛控系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)、運行平臺，采用了FreeScale公司PowerPC處理器MPC8245處理器作為CPU，其內(nèi)核最高頻率為300MHz；256MB的SDRAM；2個FLASH作為程序及數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)，容量分別為8M×8bit和32M×16bit；128K×8bit的NVRAM(非易失存儲儲器)作為系統(tǒng)事件和故障信息記錄的存儲介質(zhì)；利用FPGA的片內(nèi)存儲資源，開辟出一片雙口RAM作為飛控計算機雙余度通道之間進行數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏數(shù)耐ㄓ嵔橘|(zhì)。

計算機采用雙通道設(shè)計，每個通道包括一塊核心板和接口板。核心板負責(zé)運行操作系統(tǒng)進行軟件運行；接口板負責(zé)具體執(zhí)行模擬量輸入輸出、離散量輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出。雙通道通過使用背板完成數(shù)據(jù)信號交換以及輸入輸出，并且共用一個電源模塊，電源模塊實現(xiàn)電源濾波、轉(zhuǎn)換。硬件平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件平臺結(jié)構(gòu)

2 總體設(shè)計與功能劃分

2.1 總體設(shè)計方案

飛行控制系統(tǒng)軟件包括實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、底層功能軟件和應(yīng)用軟件三大部分，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)

實時多任務(wù)操作系統(tǒng)即采用VxWorks操作系統(tǒng)，主要負責(zé)任務(wù)執(zhí)行和驅(qū)動管理硬件資源。底層功能軟件主要通過FPGA實現(xiàn)對硬件接口數(shù)據(jù)資源的輸入、輸出。應(yīng)用軟件作為系統(tǒng)軟件核心，通過對各個程序塊進行執(zhí)行，完成數(shù)據(jù)采集、處理、運算、輸出。此外，通過系統(tǒng)參數(shù)文件配置，可以對應(yīng)用軟件執(zhí)行模擬量數(shù)據(jù)參數(shù)、故障綜合信息進行配置。本文主要針對應(yīng)用軟件的設(shè)計與實現(xiàn)進行詳細的描述。

2.2 功能結(jié)構(gòu)劃分

比較傳統(tǒng)的某型飛控系統(tǒng)應(yīng)用軟件，該應(yīng)用軟件新增了一個大功能——系統(tǒng)管理功能，飛行控制與管理功能中增加了三個新功能，BIT功能增加了PUBIT、PBIT。具體功能分布如圖4所示。

圖4 飛控系統(tǒng)功能分布圖

系統(tǒng)管理功能主要實現(xiàn)加電引導(dǎo)、設(shè)備驅(qū)動、中斷管理、雙機同步及周期任務(wù)調(diào)度五部分功能。通過系統(tǒng)管理功能將整個飛控系統(tǒng)運行起來，從而完成相應(yīng)的飛行控制與管理功能。

飛行控制與管理功能分為9個功能模塊，右側(cè)三個功能模塊是新增的功能模塊，分別是：

1) 余度管理：包括飛控計算機雙余度通道之間的同步和數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏?、輸入信號表決、飛控計算機輸出指令表決；

2)故障綜合功能：將整個飛行控制系統(tǒng)所發(fā)生的全部故障，逐一進行判別、分類、記錄，對可恢復(fù)型故障提供恢復(fù)機制，并根據(jù)預(yù)先制定的綜合準(zhǔn)則，進行系統(tǒng)功能上的裁定，并為故障申報做準(zhǔn)備；

3)實時記錄功能：在系統(tǒng)運行過程中，將相關(guān)信息記錄到飛控計算機的非易失存儲器(NVRAM)中，包括飛控系統(tǒng)的故障信息記錄、系統(tǒng)事件記錄和掉電保護數(shù)據(jù)記錄功能。

BIT功能增加PUBIT(上電BIT)、PBIT(飛行前BIT)。上電BIT在電源接通后會自動運行，對CPU、RAM、FLASH、NVRAM進行功能測試，并將結(jié)果記錄在NVRAM中。飛行前BIT在系統(tǒng)上電完畢，對應(yīng)用軟件執(zhí)行環(huán)境進行檢查，作飛行前準(zhǔn)備。

3 實現(xiàn)與驗證

3.1 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新

3.1.1 任務(wù)實時調(diào)度

任務(wù)實時調(diào)度，每個通道都能夠自主地完成所有飛行功能。本文實現(xiàn)的飛控應(yīng)用軟件采用合理的優(yōu)先級配置，采用信號量進行任務(wù)之間的調(diào)度控制，有效地完成整個系統(tǒng)的時間分配以及精準(zhǔn)的運行周期。任務(wù)調(diào)度時序圖如圖5所示。

通過主程序掛接時鐘中斷處理程序，并且設(shè)置以20ms為周期的時鐘中斷。系統(tǒng)每20ms發(fā)生一次時鐘中斷，通過時鐘中斷處理程序釋放采集信號量，系統(tǒng)開始執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，采集完畢，釋放監(jiān)控信號量，設(shè)備監(jiān)控程序開始執(zhí)行，依次完成余度管理、模態(tài)控制、系統(tǒng)輸出。設(shè)備監(jiān)控及余度管理會對數(shù)據(jù)進行監(jiān)控并執(zhí)行故障綜合和實時記錄，限于篇幅，未在圖中畫出。

圖5 任務(wù)調(diào)度時序圖

3.1.2 余度管理

傳統(tǒng)的單一余度飛控應(yīng)用軟件，不需要余度管理功能。雙余度飛控系統(tǒng)應(yīng)用軟件在余度管理上主要通過底層提供的雙口RAM進行兩個通道的數(shù)據(jù)交叉?zhèn)鬏敗Ｊ紫?，A、B機各自完成數(shù)據(jù)采集，并且結(jié)合相應(yīng)的監(jiān)控策略對單通道狀態(tài)進行監(jiān)控，通過故障綜合記錄相應(yīng)的故障點及故障信息，然后通過交叉?zhèn)鬏攲㈦p通道監(jiān)控結(jié)果以及數(shù)據(jù)進行互比，從而使得監(jiān)控狀態(tài)正確并且數(shù)據(jù)結(jié)果有效的計算機擁有輸出控制權(quán)，進行正常輸出。如果A、B通道均狀態(tài)正常，則系統(tǒng)采用A機輸出數(shù)據(jù)進行輸出。

單通道工作流程圖如圖6所示。

圖6 單一通道工作流程圖

底層功能軟件通過判斷A、B通道故障控制邏輯確定A、B通道之間哪個通道具備輸出控制權(quán)，擁有輸出控制權(quán)的輸出通道將輸出結(jié)果輸出。無輸出控制權(quán)通道的輸出結(jié)果僅程序進行執(zhí)行，不產(chǎn)生相應(yīng)實際輸出。

3.1.3 故障綜合功能

故障綜合功能與故障記錄功能是搭配工作。故障綜合功能能夠?qū)崟r監(jiān)控整個飛控系統(tǒng)應(yīng)用軟件所設(shè)置的故障點，了解每一個故障點是否發(fā)生故障，何時故障，故障持續(xù)時間，故障是否恢復(fù)，然后執(zhí)行故障記錄功能，將故障信息記錄于NVRAM中。當(dāng)飛機出現(xiàn)故障并返航之后，NVRAM可以盡可能地還原出當(dāng)時飛控系統(tǒng)應(yīng)用軟件的執(zhí)行情況。

通過周期性的故障綜合，每一個通道能夠識別出自身的運行狀態(tài)，從而對通道故障控制邏輯進行控制，確定通道是否進行真實輸出，為雙余度的有效控制提供依據(jù)。

本文實現(xiàn)的軟件對全機共87個故障點進行監(jiān)控，并且進行相應(yīng)的故障綜合，確保軟件可靠有效地執(zhí)行。

3.2 仿真飛行驗證

本文軟件執(zhí)行的驗證環(huán)境如圖7所示。

圖7 測試驗證環(huán)境

通過仿真控制計算機給定仿真信號，飛控系統(tǒng)應(yīng)用程序正常執(zhí)行，雙通道有效，可以觀察飛機執(zhí)行飛行任務(wù)的效果，如圖8所示，飛機從1處控制飛行至圖中位置，之后選擇繼續(xù)按照預(yù)定航線飛行，執(zhí)行放飛。

此時，通過開發(fā)PC宿主機使單機失效，即出現(xiàn)單通道故障狀態(tài)，測試雙余度中某一余度失效時，單余度是否能夠保證系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。測試結(jié)果如圖9(a)、圖9(b)所示，飛機繼續(xù)完成航線任務(wù)并且不受任何影響。

圖8 飛機執(zhí)行航線任務(wù)

圖9 飛行航線任務(wù)圖

圖9(c)、(d)中，此時飛機狀態(tài)依舊正常，并未受到飛控計算機故障影響，正常響應(yīng)新的航線飛行任務(wù)，并且順利完成飛行任務(wù)，不出現(xiàn)返回或失效狀態(tài)。

驗證表明，基于VxWorks的某型無人直升機雙余度飛控應(yīng)用軟件能夠可靠有效地完成飛行任務(wù)，且發(fā)揮雙余度功效，增加系統(tǒng)的可靠性。

4 總結(jié)

飛行控制系統(tǒng)對于軟件的實時性和可靠性有非常高的要求。本文改進與實現(xiàn)的某型無人直升機飛控應(yīng)用軟件能夠有效地克服該型機飛控應(yīng)用軟件的缺點，提高實時性、可靠性。采取VxWorks操作系統(tǒng)作為實時嵌入式操作系統(tǒng)，能夠有效地保證軟件的實時性。相比單余度而言，通過雙余度進行的硬件、軟件架構(gòu)，能夠很好地提高飛控系統(tǒng)的可靠性，并且具備一定的容錯性。通過在模擬環(huán)境下的嚴(yán)格驗證，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)所設(shè)計的功能，并且能夠使某型無人直升機正確有效地完成飛行任務(wù)。