基于VxWorks時(shí)鐘特性的無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)抗干擾方法研究及實(shí)現(xiàn)

李　博,楊俊鵬,曹春艷, 張　晨

(1.西北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，西安　710065；2.西安愛(ài)生技術(shù)集團(tuán)公司，西安　710065；3.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，西安　710065)

?

基于VxWorks時(shí)鐘特性的無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)抗干擾方法研究及實(shí)現(xiàn)

李博1,2,楊俊鵬1,2,曹春艷2, 張晨3

(1.西北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，西安710065；2.西安愛(ài)生技術(shù)集團(tuán)公司，西安710065；3.西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，西安710065)

為解決當(dāng)無(wú)人機(jī)受到干擾時(shí)，飛行數(shù)據(jù)采集異常情況從而導(dǎo)致無(wú)人機(jī)無(wú)法正常工作的情況，文章提出了一種適合無(wú)人機(jī)系統(tǒng)使用基于VxWorks并行時(shí)鐘工作特性的無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)抗干擾方法;并給出關(guān)鍵技術(shù)的研究途徑和工程實(shí)現(xiàn)方法;經(jīng)理論分析，本方法有效的解決無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)的抗干擾問(wèn)題;最后通過(guò)飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明本方法抗干擾性能良好，并且不會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)性產(chǎn)生影響，可應(yīng)用在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

VxWorks;無(wú)人機(jī);抗干擾;時(shí)鐘

0　引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)得到迅速發(fā)展，以無(wú)人機(jī)為平臺(tái)的飛行器越來(lái)越多的工作在各個(gè)領(lǐng)域，尤其在軍事領(lǐng)域，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

當(dāng)無(wú)人機(jī)工作在特定工作狀態(tài)時(shí)，其飛行模式轉(zhuǎn)換會(huì)通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)所采集的飛行數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。但無(wú)人機(jī)在工作時(shí)會(huì)遇到系統(tǒng)內(nèi)部或者外部環(huán)境的干擾，使得無(wú)人機(jī)飛行時(shí)的飛行數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。如果無(wú)人機(jī)中的飛行程序直接使用這些異常數(shù)據(jù)，會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)無(wú)法正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)墜毀。

1　干擾情況分析

無(wú)人機(jī)在高空作業(yè)時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部或者外部環(huán)境的干擾，從而導(dǎo)致無(wú)人機(jī)所采集的系統(tǒng)的飛行數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常跳動(dòng)。這些異常數(shù)據(jù)被無(wú)人機(jī)飛行程序直接使用后會(huì)導(dǎo)致機(jī)載控制設(shè)備輸出錯(cuò)誤的控制信號(hào)，最終使得無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)出現(xiàn)險(xiǎn)情。圖1某型無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行時(shí)飛行數(shù)據(jù)受到干擾時(shí)的波形。

圖1　無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)受干擾波形圖

當(dāng)未受到干擾，則此數(shù)據(jù)的波形應(yīng)為一條近似于拋物線。從上圖可以看出，在實(shí)際飛行中，此被干擾的飛行數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)提前轉(zhuǎn)入改變飛行狀態(tài)，嚴(yán)重影響了無(wú)人機(jī)的正常飛行。

2　抗干擾方法的研究

常用的抗干擾方法是在硬件設(shè)計(jì)上進(jìn)行改動(dòng)，主要在數(shù)據(jù)采集電路中加入濾波電路，但是濾波電路只起作用于固定帶寬的干擾信號(hào)，同時(shí)會(huì)增加無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本和復(fù)雜度。

傳統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方法是對(duì)飛行數(shù)據(jù)取累加平均或者取算術(shù)平均等方法，這種方法累加的數(shù)據(jù)越多效果越好。但在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)需要等待很長(zhǎng)時(shí)間采集數(shù)據(jù)才能獲得所需的累加數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行平均值的運(yùn)算，因此會(huì)嚴(yán)重影響無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。并且通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)飛行數(shù)據(jù)被干擾時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，此方法獲得飛行數(shù)據(jù)會(huì)趨于發(fā)散狀態(tài)。

在軟件實(shí)現(xiàn)方法中數(shù)字濾波器也常用于抗干擾領(lǐng)域，但是數(shù)據(jù)濾波器運(yùn)算相對(duì)復(fù)雜，對(duì)處理器要求較高，一般需要使用專(zhuān)用的DSP處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于無(wú)人機(jī)運(yùn)行飛行程序的機(jī)載計(jì)算機(jī)是用于控制和管理機(jī)載設(shè)備，通常基于通用處理器來(lái)設(shè)計(jì)，不具備用于數(shù)字信號(hào)處理的專(zhuān)用DSP處理器的硬件條件，所以使用機(jī)載計(jì)算機(jī)來(lái)運(yùn)行數(shù)字濾波器會(huì)增加機(jī)載計(jì)算機(jī)運(yùn)算負(fù)荷，影響系統(tǒng)整體的性能。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文結(jié)合VxWorks時(shí)鐘的特點(diǎn)，提出一種簡(jiǎn)單有效，且不影響無(wú)人機(jī)工作實(shí)時(shí)性解決無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)抗干擾的方法。

3　關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1VxWorks時(shí)鐘簡(jiǎn)介

在VxWorks操作系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)使用規(guī)定時(shí)間操作，進(jìn)行周期性的執(zhí)行操作任務(wù)或者在那個(gè)時(shí)刻執(zhí)行對(duì)應(yīng)的任務(wù)。這些操作都依賴于處理器中定時(shí)器和VxWorks內(nèi)部任務(wù)之間調(diào)度的精確性[1]。

在VxWorks中有兩種基于定時(shí)器的時(shí)鐘，分別是系統(tǒng)時(shí)鐘和輔助時(shí)鐘，輔助時(shí)鐘是系統(tǒng)時(shí)鐘的補(bǔ)充。

由于系統(tǒng)時(shí)鐘主要為系統(tǒng)調(diào)度提供基準(zhǔn)等,其頻率不能夠設(shè)置得太高。因此，當(dāng)任務(wù)需要在要較高的時(shí)鐘頻率時(shí)，這時(shí)可以使用輔助時(shí)鐘。輔助時(shí)鐘也是基于硬件定時(shí)器的，所以也是比較精準(zhǔn)的[2]。

3.2時(shí)鐘定義

本文所用的方式便是基于輔助時(shí)鐘，創(chuàng)建各個(gè)頻率的時(shí)鐘任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)抗干擾算法。

在VxWorks程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)首先定義了數(shù)據(jù)采集時(shí)鐘和創(chuàng)建任務(wù)時(shí)鐘[3]。源代碼如下：

//定義輔助時(shí)鐘中斷頻率

sysAuxClkRateSet(200);

//綁定輔助時(shí)鐘中斷程序

sysAuxClkConnect((FUNCPTR)clksyn,0);

//打開(kāi)輔助時(shí)鐘中斷。

sysAuxClkEnable();

3.3時(shí)鐘任務(wù)創(chuàng)建

為保證無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)分別創(chuàng)建了5 ms、10 ms、20 ms的時(shí)鐘。代碼如下：

task_id_timer5ms=

taskSpawn("ti5",200,VX_FP_TASK,50000, (FUNCPTR)task_timer5ms,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0)；

task_id_timer10ms=

taskSpawn("ti10",202,VX_FP_TASK,50000, (FUNCPTR)task_timer10ms,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0)；

task_id_timer20ms=

taskSpawn("ti20",204,VX_FP_TASK,50000, (FUNCPTR)task_timer20ms,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0)；

其中5 ms時(shí)鐘任務(wù)優(yōu)先級(jí)高于10 ms時(shí)鐘任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。10 ms時(shí)鐘任務(wù)優(yōu)先級(jí)高于20 ms時(shí)鐘任務(wù)的優(yōu)先級(jí)[4]。

4　抗干擾方法和措施的實(shí)現(xiàn)

4.1抗干擾算法設(shè)計(jì)

針對(duì)無(wú)人機(jī)工作時(shí)外在環(huán)境對(duì)無(wú)人機(jī)的干擾有正向和反向的雙極性干擾，同時(shí)無(wú)人機(jī)工作時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求較高。因此設(shè)計(jì)一套既滿足雙極性干擾和實(shí)時(shí)性的抗干擾算法是非常有必要的。

本文采用算法如下：

else

其中：a表示前n+1次所采集數(shù)據(jù)的最大值，b表示前n+1次所采集數(shù)據(jù)的最小值，m表示a、b之間差值的門(mén)限值，y表示無(wú)人機(jī)控制程序的算法中所調(diào)用的數(shù)據(jù)，k表示當(dāng)前數(shù)據(jù)采集時(shí)刻。

在算法中會(huì)將所采集數(shù)據(jù)的峰值進(jìn)行比較，因此當(dāng)數(shù)據(jù)被干擾時(shí)，若出現(xiàn)峰值超限的情況，則無(wú)人機(jī)系統(tǒng)不會(huì)采用本次所采集的數(shù)據(jù)。并且此算法同時(shí)使用最大值和最小值進(jìn)行比較，因此對(duì)數(shù)據(jù)波形被干擾時(shí)所產(chǎn)生的雙極性抖動(dòng)有很好的抗干擾能力。從而避免了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)程序因?yàn)楦蓴_產(chǎn)生誤判的情況。

4.2軟件設(shè)計(jì)

抗干擾算法分別在5 ms、10 ms、20 ms時(shí)鐘任務(wù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。算法實(shí)現(xiàn)的軟件流程圖如圖2所示。

圖2　抗干擾算法軟件流程圖

在5 ms時(shí)鐘任務(wù)實(shí)現(xiàn)門(mén)限值的判別方法，當(dāng)判別數(shù)據(jù)有效時(shí)，將判斷標(biāo)志pd_flag=1；10 ms時(shí)鐘任務(wù)中主要用于采集姿態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行最大最小值比較擾算法；20 ms時(shí)鐘里取飛控程序所需的參數(shù)數(shù)據(jù), 并將判斷標(biāo)志pd_flag=0。

本方法對(duì)系統(tǒng)的影響僅是運(yùn)行前需采集n次數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但是此算法代碼嵌入飛控程序代碼中，與飛控程序同時(shí)運(yùn)行。盡管算法起初需要采集n次數(shù)據(jù)，但是整個(gè)采集過(guò)程在無(wú)人機(jī)起飛前的地面準(zhǔn)備時(shí)間內(nèi)就可以完成。而之后的算法所使用的數(shù)據(jù)就是當(dāng)前采集的數(shù)據(jù)，因此不會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行時(shí)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性造成影響。

4.3抗干擾程序與主程序的融合措施

無(wú)人機(jī)的主程序主要運(yùn)行飛行管理、數(shù)據(jù)采集、飛行控制、導(dǎo)航算法等功能，軟件結(jié)構(gòu)一般是基于同一時(shí)鐘服務(wù)函數(shù)通過(guò)計(jì)數(shù)器累加技術(shù)的方式進(jìn)行分時(shí)操作。所以這種軟件結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是一種串行的工作模式。

抗干擾程序與主程序的融合措施是在基于Vxworks時(shí)鐘特性，通過(guò)多個(gè)時(shí)鐘服務(wù)函數(shù)將數(shù)據(jù)采集、抗干擾處理和數(shù)據(jù)調(diào)用代碼并行運(yùn)行。數(shù)據(jù)采集、抗干擾處理和數(shù)據(jù)調(diào)用代碼通過(guò)共享數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的方式相互關(guān)聯(lián)。其中可將數(shù)據(jù)調(diào)用代碼放置于主程序所在的時(shí)鐘服務(wù)函數(shù)中，而數(shù)據(jù)采集、抗干擾處理代碼所在時(shí)鐘的優(yōu)先級(jí)和頻率均高于主程序時(shí)鐘。程序運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)如圖3所示。

圖3　抗干擾算法軟件流程圖

5 ms時(shí)鐘服務(wù)函數(shù)與10 ms時(shí)鐘服務(wù)函數(shù)直接通過(guò)數(shù)組data[n]關(guān)聯(lián)，data[n]的數(shù)據(jù)通過(guò)5 ms時(shí)鐘服務(wù)函數(shù)刷新。10 ms時(shí)鐘服務(wù)函數(shù)與20 ms時(shí)鐘服務(wù)函數(shù)通過(guò)變量“y”關(guān)聯(lián)，變量“y”是經(jīng)抗干擾算法處理后的被主程序調(diào)用的飛行數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)采集和抗干擾算法代碼在比主程序更高頻的時(shí)鐘中運(yùn)行，因此不會(huì)影響主程序執(zhí)行的實(shí)時(shí)性。

5　抗干擾能力的分析和評(píng)估

由于算法中采用最大和最小值比較方法，當(dāng)受到干擾的數(shù)據(jù)出現(xiàn)雙極性干擾時(shí)，其最大值最小值轉(zhuǎn)變或者最小值向最大值轉(zhuǎn)變的中間有效數(shù)據(jù)會(huì)被直接提取使用，則進(jìn)入濾波算法的起點(diǎn)就會(huì)清零，此算法對(duì)雙極性抗干擾能力很強(qiáng)。相比而言，由于單極性干擾過(guò)程沒(méi)有最大值最小值轉(zhuǎn)變或者最小值向最大值轉(zhuǎn)變的中間有效數(shù)據(jù)，因此當(dāng)受到干擾時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)此算法會(huì)失效。

通過(guò)討論此方法對(duì)單極性干擾的抗干擾能力，能夠推斷出在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的抗干擾能力。圖4是通過(guò)一個(gè)模擬極端性單極性干擾波形，采集數(shù)據(jù)數(shù)量為n=75時(shí)的VxWorks程序?qū)崿F(xiàn)的時(shí)序圖。

圖4　n=75時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)的時(shí)序圖

圖中t1點(diǎn)為受到干擾的開(kāi)始時(shí)刻，此時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)被干擾到小于-60。通過(guò)之前算法可得知，此時(shí)的原始數(shù)據(jù)會(huì)被判為無(wú)效數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用程序會(huì)調(diào)用t1前一時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行門(mén)限判別。從t1時(shí)刻開(kāi)始，到第n*20(ms)時(shí)刻內(nèi)，原始數(shù)據(jù)會(huì)被判為無(wú)效數(shù)據(jù)，從第(n+1)*20 ms時(shí)開(kāi)始，原始數(shù)據(jù)會(huì)被認(rèn)為有效數(shù)據(jù)，從第2n*20 ms時(shí)開(kāi)始原始數(shù)據(jù)又會(huì)被判為無(wú)效數(shù)據(jù)[5]。

因此可計(jì)算出對(duì)于-45門(mén)限值判別，其抗干擾的能力為n*20 ms，跟其串聯(lián)使用的-60門(mén)限判斷的抗干擾能力為2n*20 ms。以n=75為例，則-45門(mén)限判斷的理論抗干擾能力為1.5s，-60門(mén)限判斷的理論抗干擾能力為3.0 s。

在具體使用時(shí)，如果無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可根據(jù)干擾的實(shí)際情況設(shè)置n值來(lái)獲得合適的抗干擾能力。

6　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)證

本課題根據(jù)所統(tǒng)計(jì)的飛行數(shù)據(jù)受到干擾的時(shí)間情況設(shè)定干擾算法的n=80。在多次飛行試驗(yàn)中，均將飛行數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)和經(jīng)經(jīng)過(guò)抗干擾算法運(yùn)算后的數(shù)據(jù)記錄和回傳。試驗(yàn)結(jié)果表明此方法可100%解決無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)受干擾問(wèn)題。

圖5～6分別為某一次飛行架次所記錄某飛行參數(shù)的原始數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)抗干擾算法運(yùn)算后的數(shù)據(jù)。

圖5　無(wú)人機(jī)飛行某參數(shù)原始數(shù)據(jù)

圖6　無(wú)人機(jī)飛行某參數(shù)經(jīng)抗干擾處理后數(shù)據(jù)

從圖5～6中可以看出，經(jīng)VxWorks程序抗干擾算法運(yùn)算過(guò)的參數(shù)數(shù)據(jù)即保證了飛行數(shù)據(jù)獲得的實(shí)時(shí)性，同時(shí)能具備很好的抗干擾性。

7　結(jié)束語(yǔ)

基于VxWorks輔助時(shí)鐘的服務(wù)函數(shù)所實(shí)現(xiàn)的無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)抗干擾方法的實(shí)現(xiàn)具有良好的實(shí)時(shí)性和實(shí)用性。在對(duì)硬件

平臺(tái)要求不高的情況下能很好的解決無(wú)人機(jī)飛行數(shù)據(jù)抗干擾的問(wèn)題。并且此方法在所參與項(xiàng)目的無(wú)人機(jī)飛行試驗(yàn)中的到充分的認(rèn)證。通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)回傳原始數(shù)據(jù)和處理后數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了其可行性和相對(duì)穩(wěn)定性。

[1] Barbalace A. Performance comparison of VxWorks, Linux, RTAI, and Xenomai in a hard real-time application[J],IEEE Transactions on Nuclear Science, 2008，55(1)：435-439, February 2008.

[2]羅蕾.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及應(yīng)用開(kāi)發(fā)[M] .北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2007.

[3] Wang Z L; Li J; Cheng G P; et al.Implementation of VxWorks in autopilot for micro aerial vehicle based on PXA255 and FPGA[J].Journal of Beijing Institute of Technology (English Edition), 2011,20(1):30-35.

[4]李林，王向輝，陶利民，等． 航天器用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]． 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， 2012，20(4) : 1026 - 1028．

[5] 姚崇華，姜新紅，程凌宇，等． 多線程應(yīng)用中的定時(shí)器管理算法[J]． 計(jì)算機(jī)工程， 2010，36(2) : 75-77．

Research and Realization of Anti-interference in UAV Flight Date Based on Character of VxWorks’ Timer Technology

Li Bo1，2， Yang Junpeng1,2， Cao Chunyan2， Zhang Chen3

(1.NWPU Computer Institute, Xi’an710065,China; 2. Xi’an ASN Technology Group Co., Ltd., Xi’an710065,China;3.NWPU Automatization Institute, Xi’an710065,China)

In order to solve the problem that the UAV could not fly and work normally because the flight data acquisition is abnormally when the UAV is interfered，the paper shows the anti-interference method in UAV flight data based on the character of VxWorks’ timer technology by analyzing the UAV flight data and traditional anti-interference method。 The paper describe the method how to research and realize the key technology. Through theoretical analyzing and comparing the result of UAV flight data, it shows that the method could solve the anti-interference situation effectively without changing the hardware design and the real-time of the UAV system and can be applied in UAV design.

VxWorks;UAV;anti-interference;timer

2015-08-12；

2015-09-16。

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA705707)。

李博(1983-)，男，陜西渭南人，博士研究生，主要從事無(wú)人機(jī)機(jī)載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方向的研究。

1671-4598(2016)01-0175-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.049

TB114.3

A