[发明专利]一种基于嵌入式操作系统的飞行控制系统及方法

权利要求书

1.一种基于嵌入式操作系统的飞行控制系统，其特征在于，包括机载飞行控制仪和地面站，其中机载飞行控制仪包括飞控计算机（1）、传感器模块（2）、执行机构模块（4）、PWM辅助模块（5）、遥控信号接收模块（6）和机载无线电台模块（10），飞控计算机（1）通过多种串行接口采集传感器模块（2）的数据，进行导航解算和控制律解算获得控制量，并通过UART发送给PWM辅助模块（5），PWM辅助模块（5）将控制量转为PWM信号输出给执行机构模块（4）以控制飞机飞行；飞控计算机（1）还通过机载无线电台模块（10）与地面站进行数据交互，通过遥控信号接收模块（6）和PWM辅助模块（5）接收地面站的遥控信号；

所述传感器模块（2）包括9轴IMU、气压高度计、空速计和GPS，其中9轴IMU包括3轴陀螺仪、3轴加速度计和3轴磁传感器；

所述PWM辅助模块（5）包括STM32最小系统和PWM信号切换电路，正常运行情况下，STM32最小系统控制选择PWM信号切换电路的输入信号作为执行机构模块（ 4） 的输入，STM32出现故障时，PWM信号切换电路下拉电阻使PWM信号线路切换至遥控器信号；

基于嵌入式操作系统的飞行控制方法，其特征在于，飞控计算机（1）运行嵌入式Linux操作系统，进行进程调度，具体步骤如下：

步骤1、初始化控制律参数、飞行模式保存在飞行控制共享内存中；

步骤2、数据采集进程分线程采集传感器模块（2）的数据，将数据存入数据采集共享内存中；

步骤3、导航解算进程根据数据采集共享内存的数据进行组合导航解算，获得飞机姿态、速度和位置，更新导航共享内存；

步骤4、飞行控制进程根据飞行控制共享内存的控制律参数、飞行模式和导航共享内存的飞行状态进行控制律解算，得到控制量更新飞行控制共享内存；

步骤5、PWM辅助进程将控制量发送给PWM辅助模块（5），PWM辅助模块（5）将控制量转为PWM信号输出给执行机构模块（4），以控制飞机飞行；PWM辅助进程还通过遥控信号接收模块（6）和PWM辅助模块（5）接收地面站的遥控信号；

所述控制方法还包括空地通信进程，空地通信进程通过串口与机载无线电台模块（10）通信，实现与地面站的全双工数据交互，汇报飞行状态，根据指令更新飞行控制信息；

具体的，数据采集进程初始化后将创建4个线程，按100Hz的速率接收IMU、气压高度计和空速计的数据，按10Hz接收GPS的数据，接收完后，对数据进行简单处理，并存入数据采集共享内存中，并释放相应的信号量，唤醒等待相应数据的线程；

在导航解算进程中，初始化后，将创建组合导航线程，在导航解算进程的主线程中，阻塞等待IMU信号量，导航解算进程的线程阻塞时将休眠，退出调度队列，不占用CPU资源，该机制使CPU资源得到充分利用；当IMU采集到一帧数据，导航解算进程的主线程将被唤醒，重新被添加到调度队列，使用四元数算法进行捷联惯导解算，将结果存入导航共享内存中；另一方面组合导航线程阻塞等待GPS信号量，当被唤醒使用GPS数据进行卡尔曼滤波解算，并使用卡尔曼滤波解算结果对惯导解算参数进行补偿，其中为了避免组合导航解算结果补偿时捷联惯导解算正在进行，从而导致惯导解算使用了错误的参数，使用信号量进行互斥操作，即当补偿时，组合导航解算线程尝试获得信号量，若获得则捷联惯导解算不在进行，那么进行补偿，然后释放信号量，否则该线程阻塞等待惯导解算完成，被唤醒然后进行补偿，再释放信号量；在控制解算进程中，初始化后，创建一个POSIX定时器，每20ms创建一个控制解算线程，控制解算线程先从导航共享内存获得组合导航解算结果和传感器标定补偿结果，再从飞行控制共享内存中获取飞行控制信息，根据飞行状态、飞行模式和飞控解算参数进行控制律解算，将控制率解算结果存入飞行控制共享内存中，然后唤醒PWM辅助进程；在PWM辅助进程中，初始化后，首先读取配置文件中的STM32配置帧，通过UART发送给STM32，配置帧中规定了需要监控的输入端口和输出端口，创建一个PWM辅助进程的子线程循环阻塞等待SPI数据，当收到数据帧，对数据解包，并存入飞行控制共享内存和日志文件中，PWM辅助进程的主线程则阻塞等待被控制解算进程唤醒，被唤醒后，从飞行控制共享内存中获得组合导航解算结果，通过UART发送给PWM辅助模块，重新阻塞等待被唤醒；

空地通信进程在初始化中获取所有共享内存指针，设定一个100ms的POSIX定时器，每当POSIX定时器到期就创建一个空地通信进程的子线程，按数据帧格式进行数据打包，向地面站发送飞机状态；空地通信进程的主线程继续执行，阻塞接受地面站的指令，接收到指令后，根据指令做出对应处理。