无人机飞行控制软件测试技术研究

南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
飞行控制系统是保证无人机飞行安全和完成预定任务的关键系统。

无人机对各种机载设备的控制指令都是由飞行控制软件发出，一旦软件出现问题，后果不堪设想，而软件测试是保证软件质量的必要手段，所以必须对无人机飞行控制软件进行充分、系统的测试。

本文较深入地研究了运用LDRA-Testbed/TBrun对无人机飞行控制软件进行测试的技术。

主要是进行基于LDRA-Testbed的静态测试工作和基于LDRA-TBrun的混合模式的集成测试工作，成功地把软件测试的各种思想、概念和LDRA-Testbed/TBrun测试工具相结合起来，达到了很好的测试效果。

首先介绍了软件测试的基本理论和基本方法，嵌入式软件测试的特点，以及软件测试工具的种类，重点介绍了LDRA-Testbed/TBrun的基本情况。

其次研究了无人机飞行控制系统的原理和无人机飞行控制软件的原理、结构及特点，提出了其测试工作的整体模型，重点研究了单元测试和集成测试的具体策略。

单元测试策略主要进行了任务和过程方面的分析，集成测试策略则是从原则和工作安排的角度进行了研究。

在此基础上较深入地进行了基本静态分析、复杂度分析、静态数据流分析，数据的图形化显示和质量报告等6个方面的静态测试技术研究，并对静态测试的工作内容选择、测试结果分析、测试报告制定作了标准化规定。

最后研究了运用LDRA-TBrun进行无人机飞行控制软件集成测试工作。

重点研究了包含自底向上、自顶向下两个集成阶段的混合模式的测试工作，以及模块划分、驱动和桩模块的设计，通过实际软件测试过程，验证了本文研究成果的正确性和有效性。

关键词：无人机，飞行控制软件，软件测试，静态测试，集成测试
ABSTRACT
The flight control system (FCS) is the key system to make safe of the flighting of unmanned air vehicle(UA V), and to act the assignment being prearranged. The contronl instructions of the on-board equipments on UA V are sent out by computer software. Once the failure of software appears, the result will be so terrible that we dare not think about. Software testing is a necessary method to guarantee software quality, so UA V FCS software must be tested strictly and thoroughly.
In this paper, the testing technology based on LDRA-Testbed/TBrun of UA V FCS software was researched deeply, and the main work included static testing based on LDRA-Testbed and integrated testing of mix model based on LDRA-TBrun. Various thoughts and concepts of software testing and test tool of Testbed/TBrun were successfully combined, and came to a very good test result.
Firstly, the basic theories and basic methods of software testing, the characteristics of embeded software testing were introduced, and the basic instance of LDRA-Testbed/TBrun was introduced mainly.
Secondly, the theory of UA V FCS and the theroy, architecture, characteristics of UA V FCS software were studied. Then an integrated model of test was put forward，and a kind of testing strategy for unit testing and integrated testing was researched particularly and each. Tasks and testing process of unit testing were analyzed, and the perspective in testing principle and arranging task of integrated testing were researched mainly. Based on this, static testing technology such as basic static analysis, complexity analysis, static data flow analysis, graphic display of data, quality report, and etc. were studied deeply. Then the work content, analysis of testing result and testing report were standardized.
Finally, the integrated testing of UA V FCS software based on LDRA-TBrun was researched. The mix model include bottom-up stage and top-down stage was studied mainly, and the test method like module division, design of drive model and stub model was studied primarily. The fact of the testing process proves the correctness and validity of the research results.
Key Words：Unmanned air vehicle, Flight control system, Software testing, Static testing, integrated testing
图清单
图3.1 某型无人机飞行控制系统组成图 (20)
图3.2 无人机工作原理图 (22)
图3.3 控制律解算模块设计流程 (25)
图3.4 导航过程转换图 (27)
图3.5 自主导航过程 (27)
图4.1 改进的V模型图 (30)
图4.2 单元测试过程图 (32)
图4.3 主机平台软件集成测试图 (34)
图4.4 宿主/目标机平台软件动态测试图 (34)
图5.1 导航模块格式化代码界面截图 (38)
图5.2 导航模块编码规则验证截图 (40)
图5.3 五种结构的控制流图 (41)
图5.4 着陆子模块控制流图 (42)
图5.5 节点产生示意图 (42)
图5.6 导航模块节点复杂度柱状图 (43)
图5.7 某程序有向图 (44)
图5.8 导航模块圈复杂度柱状图 (46)
图5.9 导航模块基本复杂度柱状图 (47)
图5.10 Halstead复杂度度量 (48)
图5.11 LCSAJ报告总述截图 (49)
图5.12 最大LCSAJ密度 (50)
图5.13 数据流异常报告截图 (52)
图5.14 系统调用图 (53)
图5.15 标准Kiviat图 (55)
图5.16 清晰性Kiviat图 (56)
图5.17 可维护性Kiviat图 (56)
图5.18 可测试性Kiviat图 (57)
图5.19 质量报告截图 (58)
图6.1 自顶向下集成方法示意图 (64)
图6.2 自底向上集成方法示意图 (65)
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图6.3 自主导航模块系统调用图 (67)
图6.4 自主导航模块内部函数模块系统调用图 (67)
图6.5 自主导航内部函数模块系统调用简化图 (68)
图6.6 自主导航模块软件集成测试过程示意图 (69)
图6.7 TBrun界面 (70)
图6.8 模块族1系统调用图 (71)
图6.9 TBrun选择生成桩界面 (72)
图6.10 定义桩函数选择桩函数文件的TBrun界面 (73)
图6.11 成功用桩文件插桩后的TBrun界面 (73)
图6.12 模块M1、M2输入输出树状显示截图 (74)
图6.13 驱动模块D1参数输入输出TBrun界面图 (76)
图6.14 输入形式参数的类型和名字后的TBrun界面 (78)
图6.15 TBrun打桩桩体编辑界面 (79)
图6.16 TBrun打桩输入返回值和返回类型界面 (81)
图6.17 TBrun打桩后界面 (81)
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表清单
表5.1 程序圈复杂度与程序风险的关系表 (45)
承诺书
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第一章 绪 论
1.1引言
航空器的安全性和可靠性问题向来是其设计制造过程中重点考虑的问题。

随着航空科技的发展，机载设备的种类和复杂性都在不断的增长之中，其安全性和可靠性直接关系到航空器整体的飞行安全。

许多机载设备是由硬件和软件体系共同组成，软件的安全性和可靠性与硬件的一样重要，一旦软件出现问题，极有可能造成灾难性后果。

世界上许多国家和组织都制定了航空器机载设备软件质量的行业标准。

航空无线电技术委员会(Radio Technical Commision for Aviation——RTCA)于1992年首次发布飞机机载系统安全性标准DO－178B，它是由权威认证的专家和开发航空软件的公司联合制定的，它为航空系统软件和设备的开发提供指导方针[1]。

欧洲空中导航安全机构(European Organisation for the Safety of Air Navigation——EUROCONTROL)将DO－178B与软件能力成熟度模型(Capability Maturity Model——CMM)结合在一起，于2003年形成了欧洲空中导航安全机构强制性标准——欧洲空管安全规章要求(EUROCONTROL Safety Regulatory Requirement ——ESARR)。

美国联邦航空局(Federal Aviation Administration——FAA)就针对飞行安全问题分别制订了不同的标准，以增强软件的可靠性进而提高飞机的飞行安全性及航空运输中管理的可靠性。

要确保机载设备软件质量达到安全性和可靠性指标，必须在软件开发的阶段对其进行严格的测试。

1.2课题背景及意义
本世纪60年代，无人机开始用于军事领域。

在1973年的中东战争和1982年的叙、以贝卡谷地之战中，无人机崭露头角，令人刮目相看。

无人机大量、成规模地用于战争是在1991年的海湾战争中，以美国为首的多国部队使用了几百架无人机，飞行了几千小时，执行了大量的军事任务。

目前，一场前所未有的无人机研究热正在兴起，研究无人机对空中战争的影响和新一代多用途、隐身无人机的研制，已经成为世界各国空军新的研究和发展之重点。

无人驾驶飞机(Unmanned Aerial Vehicle，简称无人机或UA V)是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。

它最早出现于20世纪20年代，当时是作为训练用的靶机使用的。

近年来，无人机在广泛的领域里得
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到空前的发展。

在军事上，它可作为空中侦察平台和武器平台，通过携带不同的设备，执行侦察、监视、通信中继、电子干扰、炮兵纠正、战果评估、骚扰诱惑反潜目标、攻击靶机和早期预警等军事任务；在国民经济方面，可应用于气象观测、城市环境监测、地球资源勘测、森林防火、人工降雨等[2]。

无人机的飞速发展和广泛运用是在海湾战争后。

以美国为首的西方国家充分认识到无人机在战争中的作用，竞相把高新技术应用到无人机的研制与发展上：新型和轻型材料大大增加了无人机的续航时间；采用先进的信号处理与通信技术提高了无人机的图像传递速度和数字化传输速度；先进的飞行控制系统使无人机不再需要陆基电视屏幕领航，而是按程序飞往盘旋点，改变高度和飞往下一个目标[3]。

无人机的重大特点之一是无需专门的飞行员驾驶。

在无人机中，飞行控制系统是保证无人机飞行安全、完成预定任务的关键系统，它是无人机的核心，是协调、管理和控制无人机各子系统的综合控制器。

飞行控制系统的性能优劣不仅直接影响飞机的飞行品质和飞机的性能，更为重要的是还会涉及飞机的飞行安全[4]。

在无人机的飞行控制中，飞行控制系统软件的自动控制处于主导地位。

(1)在无人机飞行控制系统中，无人机内、外回路控制都是由飞行控制系统软件实现的；(2)无人机对各种机载设备的控制指令都是由计算机软件发出的。

飞行控制软件的运行状况直接影响着无人机的安全和性能。

一旦软件出现问题，往往造成灾难性后果。

国内外航空、航天事故原因统计表明，约65%的故障由软件所致。

例如水手一号探测器1962年的一次飞行失败；前苏联载人飞船1988年有一次不能返回地面；美军某作战系统把飞机航迹标错，敌我颠倒；1996年阿丽亚娜火箭的发射失败；2001年我国某导弹的发射失败等等都是由于软件故障所引起[5][6]。

目前从美国军方统计资料显示在发生的故障中70%是软件问题。

F18飞行控制系统在20000小时的试验中，软件故障309次，而硬件故障只有271次。

因此，无人机飞行控制系统对机载软件设计提出了相当高的要求。

对无人机飞行控制系统软件进行充分、系统地测试成为保证其质量的重要手段。

软件测试投入的目的是为了减少损失。

据统计，重要软件缺陷造成的损失及相应进行弥补的代价是以严格的规范进行开发测试管理综合成本的40到50倍；如果在软件开发的后期出现需求的错误，修复错误的费用将是需求阶段的100倍[7]。

由此可见，防患于未然的意义相当巨大。

我国的载人航天工程从项目成立开始就按照软件工程化思路来进行管理和设计，严格对软件进行质量过程控制。

为
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此，航天集团专门成立了软件专家小组，设立了七个航天软件评测机构，对不同的关键性软件进行测试和评估。

无人机也必须严格对软件进行质量过程控制，本课题就是在这一背景下提出来的，它是南京航空航天大学的高新研保项目之一。

本论文将以《无人机飞行控制软件测试技术研究》为题，对无人机飞行控制系统软件测试技术进行研究。

1.3软件测试的定义
对于什么是软件测试，由于强调的方面不一致，所以一直未能达成共识。

随着软件工程的发展和软件测试的发展，软件测试的定义也在不断的更新和完善之中[8][9]。

经典著作《软件测试艺术》(1979年出版)中GLEMFORD J.MYERS曾对软件测试定义为：软件测试就是为了发现错误而执行程序或系统的过程。

在当时，这个定义能说的通，因为那时的用户需求、质量保障等概念比较模糊，测试也仅仅是编码后的一个阶段，测试的主要工作也是用来发现错误的。

早期定义今天看来容易把软件测试的目的和手段搞混，发现错误仅仅是软件测试的手段而已，软件测试的最终目的是检验实际的软件系统是否符合用户的需求，所以不能为了发现错误而发现错误。

曾有软件测试的标准定义为：使用人工或自动手段运行或测定某个系统的过程，其目的在于检验它是否满足规定的需求或是弄清预期结果与实际结果之间的差别(IEEE软件工程标准术语，1983)[10]。

这个定义指出了软件测试的最终目的是检验预期结果(用户需求)和实际结果之间的差别。

这个定义相对来说比较完善，不严谨之处为软件测试并不一定要运行系统。

现在我们认为软件测试不等于程序测试，它贯穿于软件定义和开发的整个生命周期，是软件质量保证的重要手段，需求规格说明，概要设计规格说明，详细设计规格说明，源程序都是软件测试的对象。

1.4软件测试的发展
早在50年代，英国计算机科学家图灵就提出了程序测试，但是初期的测试都是针对机器语言或汇编语言程序进行的[11]。

测试的主要方法是给出特定的输入或测试用例，运行被测程序，再检查程序的输出是否与预期结果一致。

测试
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用例的选择是在随机选取基础上，吸取测试者的经验或凭直觉来判断。

50年代以后，随着高级语言的出现，测试的重心转移到用高级语言编写的程序上。

但是由于测试者的心理因素使得人们不愿意给自己开发的软件挑毛病，测试一直没有受到应有的重视。

直到1982年在美国北卡罗来纳大学召开首次软件测试的正式技术会议以后，软件测试才得到迅速发展，并相应出现了各种软件测试方法，使软件测试技术得到了极大的提高。

可以说这次会议是软件测试技术发展的一个重要里程碑。

70年代中期，软件测试技术的研究达到高潮。

J.B. Goodenough和S.L. Gerhart 首先提出了软件测试理论，从而把软件测试这一实践性很强的学科提高到理论的高度，被认为是测试技术发展过程中具有开创性的工作。

以后W.E. Howden，Weyuker，Ostrand，Gellar等人总结了原有的测试理论并进一步完善，使软件测试成为有理论指导的实践性学科。

随后，众多科学家也提出了各种软件测试方法[12][13]，例如：
(1) J.G. Huang提出的程序插装(Program Instrumentation)方法；
(2) W.E. Howden深入分析了路径测试，提出的系统功能测试及代数测试方
法；
(3) W.E. Howden，L.A. Clarke和J.A. Darringer等人提出的符号测试方法；
(4) L. Osterweil和L.D. Fosdisk首先引入的数据流测试方法；
(5) L. White和E. Cohen提出的域测试方法(Domain Testing Strategy)。

从软件开发的实践中，人们逐渐认识到在开发初期发现并解决软件错误所付出的代价远比在编码以后经过测试而发现错误再加以改正的代价要小得多，于是又提出了一些生存期前几个阶段的测试方法：
(1) S.C. Natfos指出应从软件工程的思想推出需求元素测试的理论；
(2) M.S. Karosk提出的环境测试概念；
(3) I.J. Hayes提出说明书指导的模块测试方法，主张在早期开发中就处处想
到测试的需求，也就是现在比较流行的软件测试性设计。

1.5国内外研究现状
在发达国家和地区，软件测试已经形成一个产业。

大型的软件公司纷纷成立专门的测试部门，大量的专职测试人员在按照日益完善的测试规范进行测试。

微软等国际知名软件开发企业已经充分认识到了软件测试工作的重要性，微软的开发工程师与测试工程师的比例是1：2[14]。

国外许多大学和科研机构一直从
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事软件测试的研究和应用工作，其中美国著名的私立大学卡内基-梅隆大学(Carnegie Mello)侧重于回归测试和Client/Sevrer(客户端/服务器，或称C/S)测试技术的研究，NSTL主要从事测试规范和标准的制定。

此外还有许多大学和研究机构都在研究嵌入式软件的需求描述技术，以及根据需求自动生成测试用例的技术等[15][16]。

软件测试在我国是新兴行业。

现在我国国家级软件测试机构有：中国软件评测中心、中国赛宝实验室软件评测中心、中文信息技术产品认证中心等。

此外北京航空航天大学软件工程研究所，航天工业总公司204所，国防科工委系统所和总参61所等都有专门的机构从事软件测试的研究。

北京大学，北京航空航天大学进行了一系列的软件分析和测试工具的研究和开发，研制了一系列的程序理解工具和测试工具。

航空计算机研究所，南京大学在嵌入式系统测试方面进行了较多的工作，开发了一些静态分析工具和测试用例自动生成工具。

西北工业大学在航空软件仿真测试，并行软件综合测试平台以及C/S系统的测试方面进行了许多研究工作并取得了一系列成果。

近几年，随着面向对象技术、软件重用技术以及Internet/Intranet的广泛应用，软件测试技术面临着新的挑战。

目前国内外软件测试技术领域内的研究热点有[6][17]：
(1) 针对软件特点开展的实用软件测试技术和方法的研究，例如针对实时系
统、嵌入式系统等不同类型软件的特点开展的软件测试技术的研究；
(2) 针对新的软件开发技术而开展的软件测试技术研究，包括针对面向对象
技术、Internet/Intranet结构、Java语言等的软件测试技术的研究；
(3) 测试自动化技术的研究，目的是提高测试各阶段工作的自动化程度，减
轻人工测试负担，如测试用例自动生成技术、回归测试的自动执行等；
(4) 测试工具与测试环境的研究，依据软件测试的技术和方法开发相应的测
试工具与环境，如测试计划工具、测试设计工具、测试管理工具、静态分析工具、结构测试工具、回归测试工具、性能及网络负载测试工具以及为提高工具使用的有效性、工具间的互操作性以及信息的共享性而开发的、由若干工具经过有机结合形成的测试环境等。

工程化、形式化和自动化是软件测试的必然趋势。

这是因为传统的软件开发不能精确表达软件开发的思想与功能，数学化、逻辑化或图形化的高级抽象实现起来比较困难。

而这些用形式化的方法容易解决。

因此，软件测试者要寻找越来越多的形式化测试方法；工具开发者要为没有接受过形式化训练的人员
提供更多关于形式化方法等易于接受的表现形式。

1.6本文主要研究成果
针对软件技术和软件测试技术的发展趋势，南京航空航天大学的高新研保项目“无人机飞行控制软件测试技术研究”制定了三个阶段的发展目标：第一阶段完成适合无人机飞控软件某一个模块的初步的单元测试研究。

第二阶段完成研究适合无人机飞控软件多个模块的集成测试等研究，同时搭建主机/目标机的软硬件体系。

第三阶段研究专门适合无人机飞行控制系统软件测试的自动化工具的技术，进入无人机飞行控制系统软件测试的高级阶段。

本课题是在往届研究生研究的基础上进行的，已经完成的工作是：对某型无人机的遥控遥测程序模块KJ_TELE.C应用LDRA-Testbed系列软件进行了包括简单静态测试和动态黑盒白盒测试的软件单元测试。

本课题具有明确的研究背景和研究要求。

无人机飞行控制系统软件测试技术的研究，需要综合运用计算机软件测试理论、计算机软件测试技术、计算机软件测试工具、程序设计以及飞行控制系统理论等多方面知识。

具体内容包括：
(1) 软件测试基本理论。

从软件工程的角度介绍了软件测试的定义，软件测
试的发展，软件测试的现状，软件测试的重要性以及如何正确理解软件
测试等。

(2) 软件测试基本方法。

研究了静态分析、复杂度分析、静态数据流分析、
代码和数据的图形化显示、质量报告等；并进行了静态测试内容、报告
规范化，集成测试(自底向上、自顶向下)测试方法的研究。

(3) 软件测试工具的应用。

研究了测试工具LDRA-Testbed和LDRA-TBrun
的应用。

(4) 无人机飞行控制系统的体系结构。

包括飞行控制系统的构成、控制原理
和飞行控制软件的组成模块等。

(5) 无人机软件测试的特点。

从嵌入式软件的角度入手，结合无人机的特点，
研究了无人机软件测试的特点，研究了软件测试模型和无人机飞行控制
系统软件的测试策略以及集成测试的策略。

(6) 综合运用静态测试、动态测试(黑盒测试、白盒测试)等测试方法，对无人
机飞行控制系统的部分软件进行了充分测试，对测试结果进行了分析，
从软件度量等角度对软件进行了评估，给出了测试报告和修改建议。

(7) 探讨建立无人机软件集成测试主机-目标机平台，对以后的工作具有指导
意义。

1.7本文各章内容安排
根据本课题的研究过程与研究结果，本文各章节内容安排如下：
第一章：绪论，对课题研究背景、方案及本文主要研究内容作简要介绍。

第二章：介绍软件测试基础知识，从软件工程的角度介绍了软件测试的定义，发展，现状及重要性，简要介绍软件测试方法及嵌入式软件测试的知识等。

第三章：研究了无人机飞行控制的体系结构和飞行控制软件的功能及结构。

第四章：研究并总结了无人机飞行控制软件测试的特点，研究软件测试模型V模型，并分析了该模型的特点；最后提出适用于无人机飞行控制软件测试的静态测试策略和集成测试策略。

第五章：以导航模块guide.c程序为例，研究用LDRA-Testbed对飞行控制系统软件进行较深入的静态分析，复杂度分析等的方法，给出了测试结果，对结果进行了分析，并总结了静态测试中发现的问题，同时进行静态测试内容、测试报告的规范化研究。

第六章：以自主导航模块NA V+guide.c程序的集成测试为例，研究了无人机飞行控制系统软件集成测试方法，进行模块划分，研究用LDRA-TBrun对飞行控制系统软件实现自底向上和自顶向下的混合集成测试，给出了该程序的测试过程，并进行了总结。

第二章 软件测试基本理论
软件测试在软件生命周期中占有至关重要的地位。

本章简要介绍软件的基本概念、软件测试和嵌入式软件测试的基本理论和基本方法等有关软件测试的基础知识。

2.1软件和软件工程
软件是相对于硬件而存在的，是逻辑的知识性的产品集合，是对物理世界的一种抽象，或者是某种物理形态的虚拟化。

其规范、科学、详细的定义为：
(1) 能够完成预定功能和性能的、可执行的指令(计算机程序)；
(2) 使得程序能够适当地操作信息的数据结构；
(3) 描述程序的操作和使用的文档。

以上三点，应再补上一项内容：服务，可以用一个简单的式子定义为[17]： 软件 = 程序 + 数据(库) + 文档 + 服务
软件工程的概念是北大西洋公约组织(NATO)于1967年首次提出的[18][19]。

60年代以来，随着计算机应用的广泛深入，软件生产率、软件质量远远满足不了社会发展的需要，成为社会、经济发展的制约因素。

当时，软件开发没有可遵循的原理、原则和方法，也缺乏有效的工程化的管理、协调手段。

人们对大型软件项目的开发往往力不从心，出现了“软件危机”。

“软件危机”表现为：软件开发的成本失控，经常出现经费超预算；提交时间延迟；软件质量难以保证，维护困难；可移植性差，类似软件之间很少能够重用；软件可靠性差，运行中暴露出大量的问题。

许多重要的大型软件项目在消耗了大量人力物力之后，最终因距预定目标太远而以失败告终[18][19][20]。

“软件危机”达到了难以容忍的程度。

由于软件危机的出现，人们开始探讨用工程的方法实施并管理软件生产的可能性，倡导以工程的原理、原则和方法进行软件开发，以期解决当时出现的“软件危机”。

从此，软件生产才步入了软件工程时代。

1983年IEEE给出的软件工程的定义是：软件工程是开发、运行、维护和修复软件的系统方法[18][19][20]。

它采用工程的概念、原理、技术和方法来开发与维护软件，把经过时间考验而证明正确的管理技术和当前能够得到的最好的技术方法结合起来。

软件工程采用划分生命周期方法，从时间角度对软件开发和维护的复杂问。