RTLinux 中MUAV 機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

孫中廷

摘要：微型無(wú)人機(jī)（MUAV）集計(jì)算機(jī)、電子、通信技術(shù)于一身，應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。該文主要研究微型無(wú)人機(jī)機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。基于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，提出基于RTLinux的硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的MUAV硬件設(shè)計(jì)方案。分析多路傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)及MUAV飛行姿態(tài)解算的原理及算法。

關(guān)鍵詞：MUAV；機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；RTLinux；多傳感器信息融合；姿態(tài)解算

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）30-0194-03

Design Scheme of Airborne Computer System for MUAV in RTLinux

SUN Zhong-ting

（Xuzhou Electromedchanical Engineering Department of Jiangsu United Vocational College， Xuzhou 221011，China）

Abstract： MUAV consisting of technology of computer， electronics and tele-communication is widely applied in various field. The paper mainly focus on analysis of an airborne computer system. Given the necessity of instantaneity， the hardware design of system based on RTLinux hard real-time operation system is proposed. Further， analysis of data fusion of multisensors and resolving of MUAV flying position is presented in paper.

Key words： MUAV； airborne computer system； RTLinux； data fusion of multisensors； position resolving

1 概述

無(wú)人機(jī)（UAV）是一種無(wú)人駕駛，具有自動(dòng)導(dǎo)航、定位功能，并完成一系列飛行任務(wù)的飛行器。MUAV較UAV體積較小、質(zhì)量輕，在多數(shù)領(lǐng)域發(fā)揮作用[1-2]。例如，憑借著其靈巧的機(jī)體結(jié)構(gòu)，MUAV可以為意外事故的搜救和營(yíng)救方面發(fā)揮作用；MUAV還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交通狀況的檢測(cè)，輔助工作人員完成相關(guān)任務(wù)。MUAV控制系統(tǒng)是MUAV能夠完成其工作任務(wù)的核心，控制系統(tǒng)主要包括機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)。MUAV需要按照規(guī)定的時(shí)序完成相應(yīng)的動(dòng)作，并且需要對(duì)外部環(huán)境的改變做出及時(shí)的調(diào)整[3]。

基于以上論述，嵌入式硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)符合控制系統(tǒng)及時(shí)性、多任務(wù)的需要。 RTLinux是Linux的拓展。相比較Linux，RTLinux的硬件實(shí)時(shí)性能更加完善，內(nèi)核穩(wěn)定，運(yùn)行速度快。較之普通的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)可以專門執(zhí)行特定的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)操作任務(wù)的自動(dòng)重復(fù)。RTLinux不僅在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，也在數(shù)控領(lǐng)域發(fā)揮其特性[4-6]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MUAV機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)是采集MUAV的飛行姿態(tài)及位置信息、對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并根據(jù)算法進(jìn)行處理。此外還有，控制飛行器的飛行姿態(tài)及路線、實(shí)現(xiàn)飛行器的起飛與著陸、與地面控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信[7]。系統(tǒng)任務(wù)將決定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，MUAV機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，MUAV機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由傳感器、以RTLinux操作系統(tǒng)為核心的控制器、伺服舵機(jī)（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）、通信部分組成。微型無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)，控制器通過(guò)傳感器獲取無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)以及位置，之后通過(guò)多傳感器信息融合技術(shù)求解飛行器的飛行姿態(tài)，從而控制伺服舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)MUAV的自主飛行。無(wú)線通信完成了機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和地面控制基地的信息傳遞，進(jìn)而完成地面導(dǎo)航及飛行姿態(tài)記錄。伺服舵機(jī)既可以由RTLinux操作系統(tǒng)控制，又可以由地面控制器控制。系統(tǒng)通過(guò)多路轉(zhuǎn)換通道完成其一方對(duì)伺服舵機(jī)的控制，增加MUAV控制系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性。

MUAV機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算量龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、任務(wù)多、實(shí)時(shí)性要求高，控制系可采用以RTLinux硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為核心的主控模塊。PC-104主控板體積小、集成度高、功能齊全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[8-9]。研華 PCM-4153 PC104 CPU模塊具備：功耗低、系統(tǒng)頻率可達(dá)800MHz、內(nèi)涵看門狗程序、帶有128M閃存和256N內(nèi)存。并支持DDR內(nèi)存、10M雙網(wǎng)卡、RS-232 RS485/422及USB2.0協(xié)議等多種串口通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)PC104到PC104Plus的拓展、自帶AC97聲卡接口、具備24位的TFT LCD顯示屏。PCM-4153 PC104處理速度高達(dá)800MHz，滿足MUAV系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較高的需求。PCM-4153 PC104的多種通信協(xié)議及通信接口滿足系統(tǒng)三軸加速度傳感器、陀螺儀、聲吶高度計(jì)、電子羅盤和GPS等傳感器的連接與信號(hào)傳遞[10]。因此，不論從系統(tǒng)處理速度上，還是功能拓展上，PCM-4153 PC104都是一款理想的RTLinux平臺(tái)。

MUAV機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的傳感器有三軸加速度傳感器、陀螺儀、聲吶高度計(jì)、電子羅盤和GPS。三軸加速度傳感器和陀螺儀完成MUAV加速度及角速度的測(cè)量。 LSM9DS0是美國(guó)Sparkfun公司研制的一種集三軸加速度、三軸陀螺儀、三軸磁力計(jì)為一體的傳感器模塊。該模塊靈敏度高，可在125度的溫度范圍內(nèi)完成測(cè)量，穩(wěn)定性高，是一款符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的傳感器模塊。聲吶高度計(jì)負(fù)責(zé)測(cè)量MUAV的高度信息，與三軸加速度傳感器和陀螺儀一起完成機(jī)體的姿態(tài)以及高度的檢測(cè)任務(wù)。GPS通過(guò)串口與控制器連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)MUAV的坐標(biāo)及速度的采集。由于GPS自身性能的不穩(wěn)定，其只能提供粗略的坐標(biāo)信息及速度信息，輔助其他傳感器對(duì)MUAV坐標(biāo)信息的采集。電子羅盤則實(shí)現(xiàn)MUAV的準(zhǔn)確定位，用來(lái)彌補(bǔ)GPS的定位信息的誤差。同時(shí)電子羅盤可以檢測(cè)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)，是理想的導(dǎo)航傳感器和姿態(tài)傳感器。

伺服舵機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)控制器傳來(lái)的控制信號(hào)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。無(wú)人機(jī)上使用五個(gè)舵機(jī)，分別對(duì)應(yīng)漿角總距輸入、橫向周期變距輸入、縱向周期變距輸入、尾舵漿角輸入和風(fēng)門輸入。系統(tǒng)通信可采用Cisco Aironet 340的無(wú)線通信。該系列產(chǎn)品工作在2.4GHz，采用IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)，允許4種比特率的數(shù)據(jù)傳遞速度，有較高的安全性和靈活性，可與PC104相連。此外，該系列無(wú)線接入點(diǎn)和無(wú)線工作組網(wǎng)橋不僅可以用控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)控制，還可以通過(guò)web對(duì)其實(shí)現(xiàn)控制，靈活方便。

3 多傳感器信息融合

MUAV機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)、電子、通信技術(shù)于一身，是個(gè)學(xué)科交叉型的智能系統(tǒng)。MUAV飛行姿態(tài)的采集，坐標(biāo)定位及導(dǎo)航需要三軸加速度傳感器、陀螺儀、聲吶高度計(jì)、電子羅盤、GPS等傳感器的信息融合與解算。因此，多傳感器信息融合技術(shù)是MUAV系統(tǒng)能夠飛行并完成指定任務(wù)的基礎(chǔ)。

傳感器信息融合是一個(gè)推理和決策的過(guò)程。Waltz定義該技術(shù)為：對(duì)多傳感器提供的數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到優(yōu)于單一傳感器信息的推理和身份估計(jì)。Wald將其定義為：聯(lián)合來(lái)自不同信息源數(shù)據(jù)的處理方式的基本框架，其目的是優(yōu)化信息的質(zhì)量?？傊鄠鞲衅魅诤鲜菍⒍鄠€(gè)傳感器收集來(lái)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、分類、分析，提取有用信息進(jìn)行融合，從而獲取所需的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。多傳感器融合的概念首先在美國(guó)軍事領(lǐng)域提出，并由國(guó)防部構(gòu)建了JDL模型。模型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

該模型包含四個(gè)階段：預(yù)處理、狀態(tài)估計(jì)、態(tài)勢(shì)估計(jì)和威脅估計(jì)。模型首先整合全國(guó)各地的傳感器信息，將其中的特征信息進(jìn)行提取，提取方式有標(biāo)準(zhǔn)化、歸一化、壓縮等。其次，進(jìn)一步處理傳感器信息，明確個(gè)體的身份及狀態(tài)。根據(jù)一定方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，判斷其個(gè)體是敵是友。最后對(duì)分類信息進(jìn)行類似于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的自修正，以完善威脅估計(jì)的準(zhǔn)確度。JDL模型使多傳感器信息融合的原理更加清晰明了，為之后技術(shù)的拓展做鋪墊。

多傳感器信息融合重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)的處理與重組。它的原理及步驟是：首先，收集多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。對(duì)于MUAV來(lái)說(shuō)，即通過(guò)RTLinux平臺(tái)，采集三軸加速度傳感器、陀螺儀、聲吶高度計(jì)、電子羅盤和GPS的數(shù)據(jù)。其次，提取傳感器收集到數(shù)據(jù)的特征向量，并判定其狀態(tài)。判定方法有聚類分析、向量機(jī)、判別分析等。關(guān)聯(lián)每個(gè)傳感器經(jīng)過(guò)處理后的特征向量，并用融合算法獲得對(duì)目標(biāo)的綜合評(píng)述。對(duì)于MUAV來(lái)說(shuō)，即完成其姿態(tài)解算，及位置信息的獲取任務(wù)。

多傳感器信息融合可分為三個(gè)層次：數(shù)據(jù)層、特征層、決策層。數(shù)據(jù)層不對(duì)傳感器采集的信息進(jìn)行任何處理，直接對(duì)大量數(shù)據(jù)做融合處理，之后進(jìn)行特征向量的提取及判別分析。特征層將提取采集數(shù)據(jù)的特征向量，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)融合，最后做分析判斷。決策層將對(duì)數(shù)據(jù)處理的整體結(jié)果做融合。數(shù)據(jù)層的融合信息保留程度最全面，但是數(shù)據(jù)量限制了整個(gè)融合判定的速度，為處理器帶來(lái)負(fù)擔(dān)，影響系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)性要求。特征層的融合相對(duì)數(shù)據(jù)的處理量較小，但存在數(shù)據(jù)信息的缺失現(xiàn)象。決策層的融合，處理速度快，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，但有用信息遺失較為嚴(yán)重，一定程度上造成目標(biāo)分析的失真。

對(duì)于MUAV機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多傳感器信息融合的部分而言，融合層次結(jié)構(gòu)及融合算法將決定信息處理的響應(yīng)速度。常用的信息融合算法有貝葉斯準(zhǔn)則、證據(jù)理論、模糊集理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。貝葉斯準(zhǔn)則是基于先驗(yàn)概率的一種數(shù)學(xué)方法。證據(jù)理論側(cè)重于對(duì)不確定模型的構(gòu)建及推理。模糊理論是基于分類的估計(jì)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬人體神經(jīng)系統(tǒng)的工作過(guò)程，可以完成對(duì)對(duì)象的分類及自我修正。不同算法適用于不同的系統(tǒng)，系統(tǒng)選擇不同的層次及結(jié)構(gòu)也會(huì)導(dǎo)致算法的運(yùn)行效率及最終結(jié)果的準(zhǔn)確程度。因此，MUAV機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)需要靈活的設(shè)計(jì)信息融合部分的結(jié)構(gòu)、層次及算法，以保證一定的系統(tǒng)響應(yīng)速度及實(shí)時(shí)性。

4 姿態(tài)解算

MUAV的姿態(tài)解算是MUAV控制系統(tǒng)的核心部分。MUAV姿態(tài)角需要實(shí)時(shí)檢測(cè)并且及時(shí)調(diào)整?？刂破魍ㄟ^(guò)MUAV的飛行姿態(tài)確定下一步的控制方式，保證飛行的連續(xù)性，并完成指定任務(wù)。MUAV飛行姿態(tài)解算本質(zhì)是將機(jī)載傳感器采集到的機(jī)體坐標(biāo)系內(nèi)加速度和角速度轉(zhuǎn)換到以大地為靜止坐標(biāo)系的空間內(nèi)，并從中求解飛行器三個(gè)姿態(tài)角。設(shè)以機(jī)體為坐標(biāo)系的角速度為[xp]，[yp]，[zp]以大地為坐標(biāo)系的角速度為[xo]，[yo]，[zo]。機(jī)體和大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為捷聯(lián)矩陣T。則

[xoyozo=Txpypzp] （1）

矩陣T則由MUAV的姿態(tài)角（俯仰角[θ]、傾斜角[γ]、偏航角[φ]）的三角函數(shù)組成。

MUAV俯仰角[θ]、傾斜角[γ]、偏航角[φ]與不同參考系內(nèi)的角速度的關(guān)系可以簡(jiǎn)單理解為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。即機(jī)體坐標(biāo)系的xyz軸依次按照俯仰角[θ]、傾斜角[γ]、偏航角[φ]旋轉(zhuǎn)，則可以得到地面坐標(biāo)系xyz以及對(duì)應(yīng)角速度。由數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得

[T=cosγcosφ-sinγsinθsinφ cosγsinφ+sinγsinθcosφ -sinγcosθ -cosθsinφ cosθcosφ sinθsinγcosφ+cosγsinθsinφ sinγsinφ-cosγsinθcosφ cosγcosθ]（2）

設(shè)[T=t11 t12 t11t21 t22 t23t31 t32 t33]

則

俯仰角[θ]=[sin-1t23] （3）

偏航角[φ]=[cos-1t22cosθ] （4）

傾斜角[γ]=[cos-1t33cosθ] （5）

因此，通過(guò)矩陣T可求解出飛行器的三個(gè)姿態(tài)角，并且實(shí)現(xiàn)兩個(gè)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

矩陣T有多種求解方法。較常用的算法有歐拉法、四元數(shù)法和方向余弦法。歐拉法基于三角函數(shù)的原理，經(jīng)由三個(gè)方程求解矩陣元素。四元數(shù)法基于理論力學(xué)的思想，引入變量“轉(zhuǎn)動(dòng)四元數(shù)”從而避開歐拉法復(fù)雜的三角方程求解，并由四個(gè)微分方程得到矩陣元素。方向余弦法需要求解更多方程個(gè)數(shù)，但方程復(fù)雜程度也遠(yuǎn)低于歐拉法。

5 結(jié)束語(yǔ)

MUAV機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)性要求非常高、運(yùn)算量龐大、功能復(fù)雜的系統(tǒng)。本文主要研究以RTLinux為核心的機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，提出了基于RTLinux的硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，分析多路傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)及MUAV飛行姿態(tài)解算算法。

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