[发明专利]具有多任务自调度的模块化飞控系统及其设计方法

说明书

本发明公开了一种具有多任务自调度的模块化飞控系统及其设计方法，包括数据采集模块、导航解算模块、控制解算模块、PWM辅助模块、空地通信模块。数据采集模块对多传感器数据进行实时采集，导航解算模块通过条件判断自调度合适解算算法，解算无人机状态并创建导航共享内存；控制解算模块通过条件判断自调度合适控制算法，根据无人机状态和控制指令解算控制量；PWM辅助模块通过STM32辅助单片机控制执行机构，同时还监视单片机运行状态，获取地面控制信号；空地通信进程负责将无人机状态定时通过无线电台发送给地面站，同时接收地面站的指令。该系统采用嵌入式设计技术，可以实现飞控系统任务模块化、多任务自调度以及多算法集成。

技术领域

本发明属于无人机飞行控制领域，特别是一种具有多任务自调度的模块化飞控系统及其设计方法。

背景技术

随着传感技术、航空技术、导航技术、人工智能和控制技术的发展，近年来，无人机获得了突飞猛进的发展。相对大型飞行器，小型无人机由于其体积小、重量较轻、在飞行过程中易受到干扰，因此对小型无人机的飞控系统提出了更高的要求。同时，随着无人机技术发展，其执行的任务也越来越复杂，对无人机的控制精度要求越来越高。

根据硬件架构平台可将飞控系统分为三类：基于单片机、基于DSP和基于工业计算机。基于单片机的飞控系统适合完成IO请求和控制方面的功能，但由于其运算能力、实时性和外设有限，仅适合飞行任务简单的小型无人机，难以满足较复杂的导航算法和控制算法需求；基于DSP的飞控系统拥有很大的数学运算性能优势，但是控制能力不强。基于工业计算机的飞控系统计算资源丰富，但因其价格昂贵，体积较大且功耗高，一般应用于大型无人机的飞行控制系统。上述方案一般成本都比较高，而且设计复杂，开发周期较长，工作量大，这也导致飞行控制系统的二次开发和移植困难，使用者和设计者通常要求有比较高的硬件设计和相应芯片的开发水平。

同时，飞控软件系统按是否采用操作系统分为两类：前/后式软件架构和基于实时操作系统（RTOS）软件架构。前者只能处理简单异步事件，后者则通过实时内核确保系统实时响应。

目前，飞控系统仍多采用裸机开发的方式，即无操作系统的方式开发。飞行控制系统是一个多任务系统，需要同时执行数据采集、导航解算、飞行控制律解算以及各种负载任务等多种任务。随着功能更复杂以及外设增加，这种方式将带来更长的开发周期和更大的开发难度。面对越来越复杂的功能需求，飞行控制系统需要不断地扩展和更新迭代，以裸机方式进行二次开发时往往需要重构软件系统。而少数基于实时操作系统的高度商业化飞控软件系统通常有两种方式来应对多任务调度，一种是单CPU，基于前后台模式的无限循环单任务方式；另一种则是多CPU模式，将实时性和计算量要求高的任务分别在不同的CPU中运行。前者需要人为进行任务调度，开发难度大、工作量大，并且软件容易跑飞，而后者则会加大系统集成的难度和复杂度，同时需要协调多CPU工作并解决它们间的通信问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有多任务自调度的模块化飞控系统及其设计方法，解决了目前飞控软件需要人为进行任务调度且难以模块化实现功能拓展和多算法集成的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有多任务自调度的模块化飞控系统，包括数据采集模块、导航解算模块、控制解算模块、PWM辅助模块和空地通信模块；数据采集模块对多传感器数据进行实时采集，创建数据采集共享内存；导航解算模块访问数据采集共享内存，通过条件判断自调度合适解算算法，解算无人机状态并创建导航共享内存：控制解算模块访问导航共享内存，通过条件判断自调度合适控制算法，根据无人机状态和控制指令解算控制量，并创建飞行控制共享内存；PWM辅助模块访问飞行控制共享内存，控制执行机构，同时还监视其自身的运行状态，获取地面控制信号；空地通信进程负责将数据采集共享内存、导航共享内存、飞行控制共享内存中的无人机状态定时通过无线电台发送给地面站，同时接收地面站的指令。

一种具有多任务自调度的模块化飞控系统实现多任务自调度的方法，步骤如下：