基于VxWorks與RTW Embedded Coder的無(wú)人直升機(jī)機(jī)載飛控軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

施曉穎，褚雙雙

（1.海軍裝備部 陜西 漢中 723213；2.陜西千山航空電子有限責(zé)任公司 陜西 西安 710065）

近年來(lái)，無(wú)人直升機(jī)因?yàn)樵谲娒耦I(lǐng)域中的普遍應(yīng)用，而在全世界范圍內(nèi)得到廣泛研究。無(wú)人直升機(jī)需要面對(duì)地面障礙，敵人攻擊和設(shè)備損壞等各種復(fù)雜的環(huán)境，同時(shí)它還要保持與地面技術(shù)人員的信息交互。因此，無(wú)人直升機(jī)的控制系統(tǒng)除了具備基本的控制律計(jì)算功能，還要負(fù)責(zé)更高層次的決策制定與任務(wù)規(guī)劃。

機(jī)載飛控軟件作為無(wú)人直升機(jī)飛控系統(tǒng)邏輯核心，需要處理硬件驅(qū)動(dòng)，控制律計(jì)算，信息交互，任務(wù)規(guī)劃和事件處理等多種不同任務(wù)，這對(duì)飛控軟件的實(shí)時(shí)性、可靠性提出了很高的要求。飛控軟件作為嵌入式軟件的一種，具備嵌入式軟件開(kāi)發(fā)調(diào)試的所有不利因素，應(yīng)用傳統(tǒng)模式開(kāi)發(fā)嵌入式飛控軟件系統(tǒng)容易效率低下。由于上述原因，使得飛控系統(tǒng)框架，軟件執(zhí)行策略，控制方法，嵌入式軟件開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)的研究更加迫切。

文中搭建了一種基于VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)和Simulink/RTW Embedded coder環(huán)境的無(wú)人直升機(jī)機(jī)載飛控軟件執(zhí)行框架與開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)。利用該平臺(tái)生成的嵌入式飛控軟件將被直接應(yīng)用于某型無(wú)人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)。

1 機(jī)載飛控軟件

主要介紹機(jī)載飛控軟件的的總體框架，包括大量的任務(wù)框圖與外圍設(shè)備。描述這些任務(wù)在VxWorks系統(tǒng)下是如何被調(diào)度執(zhí)行以及基于行為的自動(dòng)飛行控制是如何實(shí)現(xiàn)的。

1.1 機(jī)載飛控軟件任務(wù)分類

飛控軟件的任務(wù)按照觸發(fā)機(jī)制不同可分為兩類，一類是周期任務(wù)，即每隔一個(gè)固定時(shí)間段任務(wù)執(zhí)行一次，飛行控制律計(jì)算任務(wù)（FCS）是一種典型的周期任務(wù)。另一類就是沒(méi)有周期的任務(wù)，當(dāng)特定事件發(fā)生時(shí)，任務(wù)被執(zhí)行，稱為非周期任務(wù)，串口接收數(shù)據(jù)任務(wù)（SerialRecv）就是一個(gè)典型的非周期任務(wù)。根據(jù)任務(wù)的重要性、緊迫性，可以定義任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。一般來(lái)說(shuō)，非周期任務(wù)的優(yōu)先級(jí)要高于周期任務(wù)，因?yàn)榉侵芷谌蝿?wù)的觸發(fā)是不可預(yù)測(cè)的，需要及時(shí)處理。而對(duì)于周期任務(wù)，執(zhí)行越頻繁的任務(wù)優(yōu)先級(jí)越高。

1.2 機(jī)載飛控軟件總體框架

機(jī)載飛控軟件的總體框架如圖1所示。整個(gè)飛控系統(tǒng)框架由一系列框圖組成，這些框圖代表了不同的任務(wù)或設(shè)備。下面簡(jiǎn)要介紹代表任務(wù)的框圖，余下的框圖（除main外）皆代表外圍設(shè)備。

SerialRecv代表了串口數(shù)據(jù)接收任務(wù)，該任務(wù)監(jiān)視了機(jī)載計(jì)算機(jī)上所有串口設(shè)備。當(dāng)某個(gè)串口設(shè)備有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，該任務(wù)被觸發(fā)，并將收到的數(shù)據(jù)根據(jù)串口設(shè)備號(hào)的不同，填入到相應(yīng)的數(shù)組型環(huán)形緩沖區(qū)中，等待其他周期任務(wù)處理。tBaseTask是基頻任務(wù)，用來(lái)觸發(fā)其他周期任務(wù)和執(zhí)行自身的功能函數(shù)（例如對(duì)串口數(shù)據(jù)緩存區(qū)數(shù)據(jù)的解析與發(fā)布）?；l任務(wù)的執(zhí)行頻率應(yīng)是其它周期任務(wù)執(zhí)行頻率的最小公倍數(shù)。FCS是飛行控制律計(jì)算任務(wù) （包含將操縱量通過(guò)DA轉(zhuǎn)換輸出到舵機(jī)），經(jīng)典的飛行控制律計(jì)算任務(wù)只包含外回路和內(nèi)回路的計(jì)算。當(dāng)應(yīng)用基于行為的控制方法后，還要加上一層使用有限狀態(tài)機(jī)原理實(shí)現(xiàn)的行為調(diào)度層，用來(lái)幫助無(wú)人直升機(jī)完成各種復(fù)雜的行為。ECS是發(fā)動(dòng)機(jī)控制律計(jì)算任務(wù)，用來(lái)穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。CMM是回送數(shù)據(jù)到地面站任務(wù)，幫助地面技術(shù)人員監(jiān)視無(wú)人直升機(jī)工作狀態(tài)，獲得有用的信息。Measure是測(cè)量任務(wù)，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換獲得旋翼轉(zhuǎn)速，舵機(jī)位置等實(shí)際參數(shù)。以上周期任務(wù)的優(yōu)先級(jí)順序?yàn)椋篠erialRecv>tBaseTask>FCS>ECS>Measure>CMM。任務(wù)間數(shù)據(jù)的交換是通過(guò)全局變量的形式實(shí)現(xiàn)的。

圖1 機(jī)載飛控軟件總體框架Fig.1 Airborne flight control software framework

1.3 任務(wù)調(diào)度管理

所有飛控任務(wù)調(diào)度的實(shí)時(shí)性，可靠性依賴于其所運(yùn)行的環(huán)境，即嵌入式操作系統(tǒng)（RTOS）。VxWorks是一款廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，具備強(qiáng)實(shí)時(shí)性，高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。VxWorks在80486 66MHZ下任務(wù)切換時(shí)間，系統(tǒng)調(diào)用時(shí)間和中斷響應(yīng)時(shí)間都在幾個(gè)微秒，支持基于優(yōu)先級(jí)的搶占調(diào)度機(jī)制，保證任務(wù)能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，同時(shí)VxWorks提供了一套高度優(yōu)化的信號(hào)量機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)互斥與同步操作。

一組基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)搶占和信號(hào)量同步的多任務(wù)調(diào)度機(jī)制被用來(lái)確保所有周期任務(wù)按照預(yù)定時(shí)序執(zhí)行，并使非周期任務(wù)能夠及時(shí)得到處理。整套機(jī)制的偽代碼實(shí)現(xiàn)如下：

Main任務(wù)被用來(lái)初始化飛控軟件，創(chuàng)建多個(gè)周期任務(wù)，包括numTasks個(gè)子任務(wù) （tSubRate）和一個(gè)基頻任務(wù)（tBaseRate），再創(chuàng)建非周期任務(wù)，并將“釋放屬于基頻任務(wù)的同步信號(hào)量（clockSem）”這個(gè)語(yǔ)句掛接到時(shí)鐘的定時(shí)處理函數(shù)中去。為了使基頻任務(wù)能夠按時(shí)得到處理，要求時(shí)鐘的定時(shí)處理函數(shù)運(yùn)行在很高的優(yōu)先級(jí)上，而中斷服務(wù)程序（ISR）具有高于一切任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，顯然是最適合用來(lái)作為定時(shí)處理函數(shù)的載體。VxWorks提供了兩種定時(shí)處理函數(shù)運(yùn)行在中斷服務(wù)程序上的定時(shí)時(shí)鐘，如表1所示。

表1 VxWorks提供的時(shí)鐘Tab.1 The clock provided by VxWorks

由于受到機(jī)載計(jì)算機(jī)硬件條件的限制，看門(mén)狗時(shí)鐘被用來(lái)作為定時(shí)釋放基頻任務(wù)信號(hào)量的時(shí)鐘，基頻任務(wù)的執(zhí)行頻率被設(shè)定為100 Hz（即周期為10 ms）。創(chuàng)建完所有任務(wù)后，main任務(wù)將掛起在stopSem信號(hào)量上直到其被釋放，然后結(jié)束整個(gè)飛控程序。

基頻任務(wù)包含一個(gè)主循環(huán)。在這個(gè)主循環(huán)中，基頻任務(wù)首先等待信號(hào)量clockSem被釋放，在clockSem被釋放之前，基頻任務(wù)將一直處于掛起狀態(tài)。當(dāng)clockSem被釋放后，基頻任務(wù)將根據(jù)每個(gè)子任務(wù)的周期，按時(shí)釋放其對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)量，例如當(dāng)某個(gè)子任務(wù)的周期為40 ms時(shí)，意味著基頻任務(wù)每執(zhí)行四次才釋放一次該子任務(wù)的同步信號(hào)量。最后基頻任務(wù)在執(zhí)行完自己功能代碼Model_Step后，重新掛起在clockSem上。

子任務(wù)的執(zhí)行與基頻任務(wù)執(zhí)行屬于相同的模式。子任務(wù)的循環(huán)首先掛起在對(duì)應(yīng)的同步信號(hào)量上。當(dāng)基頻任務(wù)釋放這些信號(hào)量后，被喚醒的子任務(wù)將按照優(yōu)先級(jí)順序依次執(zhí)行，執(zhí)行完后掛起在相應(yīng)的同步信號(hào)量上。

非周期任務(wù)的實(shí)現(xiàn)與tSubRate類似，只是釋放信號(hào)量是由非周期的事件觸發(fā)的。

每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行必定會(huì)消耗一定的物理時(shí)間，任務(wù)執(zhí)行的快慢依賴于CPU與外圍設(shè)備的速度，以及控制算法的復(fù)雜性。高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)會(huì)搶占低優(yōu)先級(jí)任務(wù)的CPU資源，在完成操作后，再把CPU資源還給低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。VxWorks提供的任務(wù)優(yōu)先級(jí)機(jī)制能保證系統(tǒng)資源的最優(yōu)分配。

圖2是采用上文描述的基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)搶占和信號(hào)量同步的多任務(wù)調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn)的多任務(wù)程序時(shí)序圖。圖中，tBaseRate代表基頻任務(wù)，tSubRate1與tSubRate2代表周期子任務(wù)，這三個(gè)周期任務(wù)的周期長(zhǎng)度之比為1：2：4。tAsync代表一個(gè)非周期任務(wù)，擁有最高的優(yōu)先級(jí)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，周期任務(wù)被定時(shí)觸發(fā)，并按照優(yōu)先級(jí)順序依次執(zhí)行 （即tBaseRate->tSubRate1->tSubRate2）。低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)會(huì)被高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，比如tAsync在圖中執(zhí)行了兩次，先后掛起了tSubRate1與tBaseRate任務(wù)。

圖2 基于優(yōu)先級(jí)搶占和信號(hào)量同步的多任務(wù)調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn)的多任務(wù)程序時(shí)序圖Fig.2 Multi-task program timing diagram achieved by multi-task scheduling mechanism which is based on priority preemptive and semaphore synchronization

1.4 行為控制的有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)

飛控系統(tǒng)要求能夠控制無(wú)人直升機(jī)完成一系列基本的行為，例如起飛，懸停，定速前飛等。通過(guò)這些行為的有序組合能使無(wú)人直升機(jī)完成復(fù)雜的任務(wù)。各種行為間的相互轉(zhuǎn)換則是通過(guò)事件驅(qū)動(dòng)的。

有限狀態(tài)機(jī)（FSM）是用來(lái)表示有限個(gè)狀態(tài)以及這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為的數(shù)學(xué)模型，具備有限和離散這兩個(gè)特點(diǎn)。而這些行為的發(fā)生也是由事件驅(qū)動(dòng)的。

如果把有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)與無(wú)人直升機(jī)的基本行為相對(duì)應(yīng)，那么就可以使用有限狀態(tài)機(jī)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)的行為控制。狀態(tài)的轉(zhuǎn)移可以理解為無(wú)人直升機(jī)行為的變化，執(zhí)行的動(dòng)作可以看作是飛行控制律結(jié)構(gòu)和參數(shù)的改變。事件則可來(lái)源于以下4方面：

1）由傳感器探測(cè)到的外圍環(huán)境變化；

2）機(jī)載設(shè)備的損壞；

3）對(duì)飛行任務(wù)執(zhí)行進(jìn)度的判斷；

4）地面站發(fā)來(lái)的指令。

這些事件的發(fā)生都可以驅(qū)動(dòng)狀態(tài) （即行為）的轉(zhuǎn)移。MATLAB為實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)，專門(mén)提供了Stateflow模塊。應(yīng)用Stateflow能夠搭建無(wú)人直升機(jī)任務(wù)行為規(guī)劃的邏輯模型并進(jìn)行仿真。借助Stateflow Coder則可以將模型轉(zhuǎn)換成實(shí)際的產(chǎn)品代碼。

2 機(jī)載飛控軟件開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)

機(jī)載飛控軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與測(cè)試是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，一個(gè)良好的開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)能夠加快軟件開(kāi)發(fā)進(jìn)度，提高軟件可靠性。

基于Simulink/RTW Embedded Coder開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)框架：使用Simulink作為控制器開(kāi)發(fā)與數(shù)學(xué)仿真的平臺(tái)已成為業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)。其圖形化的界面以及豐富的資源能幫助技術(shù)人員設(shè)計(jì)各種復(fù)雜的控制器。但Simulink實(shí)現(xiàn)的只是數(shù)學(xué)仿真，離控制器的最終實(shí)現(xiàn)有很大距離。而MATLAB推出的RTW Embedded Coder模塊（相對(duì)于RTW模塊更加適合于產(chǎn)品級(jí)的嵌入式目標(biāo)），用于將Simulink框圖直接生成規(guī)范高效的嵌入式C/Ada代碼（通過(guò)RTCA/DO-178B標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)認(rèn)證），調(diào)用合適的編譯器生成可執(zhí)行目標(biāo)程序并提供良好的用戶界面，將控制器的數(shù)學(xué)仿真與嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一在Simulink環(huán)境下。圖3展示了基于Simulink/RTW Embedded Coder的開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)框架。該平臺(tái)由宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)兩部分組成，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)程序下載與運(yùn)行時(shí)信息交互。

宿主機(jī)部分安裝了MATLAB和Tornado。MATLAB提供了Simulink圖形環(huán)境和RTW Embedded Coder工具，可以將在Simulink中設(shè)計(jì)的飛控軟件周期任務(wù)模型轉(zhuǎn)換成嵌入式C代碼，生成model.c等文件。在model.c文件中包含了以下3種函數(shù)：

1）model_initialize函數(shù)：該函數(shù)主要用于整個(gè)軟件全局變量的初始化，將中斷服務(wù)程序關(guān)聯(lián)到對(duì)應(yīng)的中斷向量和創(chuàng)建非周期任務(wù)等。

2）model_terminate函數(shù)：該函數(shù)主要用于在要退出飛控程序前，釋放系統(tǒng)資源。

3）model_step函數(shù)：這種函數(shù)的個(gè)數(shù)與周期任務(wù)的個(gè)數(shù)相同，并且包含了這些周期任務(wù)的功能代碼，比如tBaseRate的功能代碼就包含在model_step0中。

圖3 基于Simulink/RTW Embedded Coder平臺(tái)框架Fig.3 The platform framework based on Simulink/RTW Embedded Coder

按照上節(jié)提供的偽代碼修改RTW生成的ert_main.c文件，并將上述文件和客戶代碼（主要包含設(shè)備驅(qū)動(dòng)等支持性代碼）一起調(diào)用Tornado下的gcc編譯器進(jìn)行編譯，就可生成VxWorks環(huán)境下的可執(zhí)行的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（即model.lo文件）。

目標(biāo)機(jī)包含了VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)。將model.lo下載到目標(biāo)機(jī)后，就可以運(yùn)行飛控程序了。

無(wú)論是開(kāi)發(fā)測(cè)試中的還是已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用的機(jī)載飛控軟件系統(tǒng)，都要涉及與宿主機(jī)或地面站的信息交互。Simulink/RTW提供了外部模式和C-API模式作為嵌入式軟件的用戶界面，方便用戶監(jiān)視變量和在線調(diào)參，有利于嵌入式飛控軟件的測(cè)試和仿真。外部模式直接利用Simulink框圖作為監(jiān)視調(diào)參的界面，但因?yàn)槠渑c宿主機(jī)數(shù)據(jù)交互的方式為網(wǎng)絡(luò)通信，故只適合在仿真環(huán)境應(yīng)用。當(dāng)飛控軟件完成仿真測(cè)試后，可以保留C-API模式做為用戶界面，因?yàn)镃-API未涉及與宿主機(jī)具體的通信方式，而只是提供了獲得變量信息和修改參數(shù)的應(yīng)用程序接口，故更加適合在嵌入式產(chǎn)品代碼中使用，在應(yīng)用中具備更大的靈活性。

3 飛控軟件階段性測(cè)試與評(píng)估

3.1 飛控軟件開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

目前，已經(jīng)搭建好上述嵌入式飛控軟件開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了包含串口接收任務(wù) （tComDataRecv），基頻任務(wù)（tBaseRate，100HZ），飛行控制律計(jì)算任務(wù)（tRate1，50HZ），發(fā)動(dòng)機(jī)控制律計(jì)算任務(wù)（tRate2，20HZ）并加入外部模式的嵌入式飛控軟件雛形，如圖4所示。

圖4 嵌入式飛控軟件Simulink框圖Fig.4 The Simulink diagram of the embedded flight control software

3.2 性能測(cè)試與評(píng)估

為了測(cè)試上文提出的任務(wù)調(diào)度機(jī)制的有效性，使用Tornado提供的WindView監(jiān)視軟件運(yùn)行，獲得飛控軟件運(yùn)行時(shí)序圖，如圖5和6所示。

圖5為串口端無(wú)數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)序圖，非周期任務(wù)tComDataRecvy一直未被激活，而基頻任務(wù)tBaseRate總是在中斷0（即系統(tǒng)時(shí)鐘中斷）發(fā)生后被執(zhí)行，說(shuō)明基頻任務(wù)被按時(shí)的觸發(fā)了。而其他兩個(gè)子周期任務(wù)也按照設(shè)計(jì)中的時(shí)間間隔和執(zhí)行順序被觸發(fā)。這說(shuō)明整個(gè)周期任務(wù)調(diào)度機(jī)制是正確可行的。

圖6為串口端有數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)序圖，當(dāng)有串口數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，tComDataRecvy總是立刻被激活，同時(shí)周期任務(wù)依然被按時(shí)觸發(fā)。

由以上測(cè)試結(jié)果說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的任務(wù)調(diào)度機(jī)制是完全可行的。

圖5 串口端無(wú)數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)序圖Fig.5 The timing diagram without serial data

圖6 串口端有數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)序圖Fig.6 The timing diagram with serial data

4 結(jié)論

文中搭建了一種基于VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)和Simulink/RTW Embedded coder環(huán)境的無(wú)人直升機(jī)機(jī)載飛控軟件執(zhí)行框架與開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)，結(jié)合控制律軟件的設(shè)計(jì)提出一種基于該執(zhí)行框架和開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)的飛控軟件開(kāi)發(fā)方案，構(gòu)建了機(jī)載飛控軟件總體架構(gòu)。采用VxWorks多任務(wù)調(diào)度機(jī)制進(jìn)行任務(wù)管理滿足飛行控制的實(shí)時(shí)性要求，應(yīng)用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)人直升機(jī)的行為控制，最后搭建了基于Simulink/RTW Embedded Coder開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)框架并驗(yàn)證了該方案的有效性和可靠性。本文利用VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)和RTW環(huán)境生成的嵌入式飛控軟件，測(cè)試驗(yàn)證了該方案的有效性和可實(shí)施性，表明該方案可應(yīng)用于無(wú)人直升機(jī)機(jī)載飛控軟件的開(kāi)發(fā)。

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