某无人机导航控制系统模块化设计

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执行 系统
图 １ － ｑ － 航 系 统 构 成
Ｆｉ ｇ ．１ Ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｎ ａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
在 这 里 所 设 计 的导 航 系 统 用 来 对 无 人 机 的 飞 行 航 线 和 任务进行控制 。 包括航线切换 、 控 制决 策 、 飞 行 安 保 和 任 务 执 行等几个 方面 ， 以及 这些 方 面 之 间 的 层 次 递 进 关 系 ， 因 此 我 们 可 以参 考 递 阶控 制 的 思 想 问， 把 导 航 系 统 软 件 按 功 能 分 为
ｓ ｈ ｏ ｔ ｒ ｅ ｎ ｈｅ ｔ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｃ ｙ ｃ ｌ ｅ ． Ｉ ｔ ｉ ｓ ｏ ｆ ｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｉ ｍｐ ｏ ｔ ｒ ａ ｎ ｃ ｅ ｆ ｏ ｒ ａ ｃ ｃ ｅ ｌ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ＵＡＶ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ＤＳ Ｐ；ＵＡＶ；ｎ ａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ；ｍｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｉ ｒ ｚ ｅ ｄ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ
所谓模 块化设计 嘲 ． 简 单 地 说 就 是 程 序 的 编 写 不 是 逐 条
录入计算机语句 和指令 ， 而 是 首 先 用 主程 序 、 子程 序 、 子 过 程 等 框 架 把 软 件 的 主 要 结 构 和流 程 描 述 出来 。 定 义 和 调试 试
地 面站管理计算机获取航 点注入信息和导航控制 指令 。 经 过
２ ． １ 导 航 系统 任 务 导 航 系 统 主 要 有 ３个 方 面 的任 务 ［ ３ １ ： 第 一是导 航 Ｃ Ｐ Ｕ 从
件 做 出详 细 论 述 ， 阐明模块 化设 计思路 ， 给 出 导 航 软 件 模 块
化 的 设计 方 案 和 设 计 实 例 及 仿 真 。
１ 模 块 化 设 计
１ ． 一 ： ： ： ： ： ＝＝ ：一 … 一 ：
导 航 程 序 规 划 为 合 作方 式 下 的 多 任 务 形 式 ［ ５ １ 。按 照 导 航 实 时 系 统 任 务 的要 求 ， 设计出初始化 、 输入 、 导航计算 、 决策管理 、 安 全 保 障 以及 输 出 ６个 模 块 来 阐述 整 个 导 航 软 件 的 流 程 和
关 键 词 ：ＤＳ Ｐ ；无 人 机 ；导航 软件 ；模 块 化 设 计
中图 分 类 号 ： Ｖ ２ ４ ５ ． ３ ｒ Ｐ ３ ９ １ ． ９
文献标识码 ： Ａ
文章 编 号 ：１ ６ ７ ４ — ６ ２ ３ ６ （ ２ ０ １ ３ ） １ ６ — ０ ０ ７ ９ — ０ ４
Ａ ｍｏ ｄｕ ｌ ａ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｆ ｏ ｒ ＵＡＶ ｎ ａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＤＳ Ｐ
ｎ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ａ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｒ ａ ｎ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｅ ｌ ｕ ｃ ｉ ｄ ａ ｔ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｎ ａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ
设计 。
● ＿ ●● ● ● － － －＿ ＿ ＿ －－ ＿＿ ●－ ＿＿ ＿－ ●● －● －＿
管理系统 地面 站 ｌ Ｉ ｌ 地面站 ｌ显示 显示系统 ｌ系统
ｉ
一
对 于 带 实 时操 作 系 统 的 Ｄ Ｓ Ｐ控 制 系 统 软 件 ． 可 以 将 整 个
丽
： ： ： ： ＝
功能 。
遥测指令 数据
藏
ｉ ｌ 苎 ｌ
～
行状态信 息
１ ） 初始 化模块 ： 无人 机导航计算 机上 电之后 。 必 须 对 硬 件 和 软 件 进 行 初 始 化 。硬 件 的 初 始 化 主要 指 置 位 硬 件 相 关 寄 存 器 以及 完 成 外 围设 备 接 口的设 置 ； 软 件 的 初 始 化 包 括 系 统 导航参数的初始化 ， 看 门 狗 的设 置 。 任 务 的 生成 等 。 ２ ） 输入模 块 ： 主 要 包 括 ４个 部 分 ： 第 一 部 分 是 由北 斗 系
统传 送的数据 ， 用来 获取所需 的经纬度 和时间信息 ； 第 二 部 分 是 由地 面站 发 送 的航 线 注 入信 息 和 控制 命 令 ． 如航 程 点 以
ｔ ｈ ｅ ｉ ｒ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ． Ａｔ ｌ ａ ｓ ｔ， ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ａ ｒ ｅ ｇ ｉ ｖ ｅ ｎ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｏ ｓ ｅ ｅ ｆ ｏ ｒ ｔ ｓ ｍｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｄ ａ ｂ ｏ ｖ ｅ ． Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｈａ ｔ ｔ ｈｅ ｔ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｎ ｎ ａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｃ ｌ ｅ ｒ ，ｗｈ ａ ｉ ｃ ｈ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｅ ｎ ｖ ｉ ｏｎ ｒ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ
Байду номын сангаас
模 块化的设计思路 ． 给 出 了导航 软 件 的 部 分 组 成 及 其 实现 的功 能 ， 最后 在 此 设 计 基 础 上 给 出半 物 理 仿 真 。 结果 表 明 ， 导航 软 件 的模 块 化 设 计 条 理 清 楚 ， 可 以 全 面 的 对 导 航 系 统进 行 统 筹 ， 改善 开 发 环 境 ， 缩短开发周期 ， 对 加 快 无 人 机 研 制 进 度 有 重 要 的意 义 。
基金项 目： 国 家 自然科 学 基金 （ ６ ０ ９ ７ ４ １ ４ ６ ）
作者简介 ： 苏 少 良（ １ ９ ８ ８ 一） ， 男， 河南漯河人 ， 硕 士 。研 究 方 向 ： 无 人 机 飞 行 与 导 航 系统 。
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７ ９ －
《 电子设计 工程 ） ２ ０ １ ３年 第 １ ６期
在 模 块 化 设 计 中应 注 意 以下 几 点 问题 ： １ ） 模块 在整 个 系统 中 的作用 及其 更换 的可 能性 和必 要性 。 ２ ） 保持 模块 在 功能 及结 构方 面有 一定 的独 立性 和完 整性 。 ３ ） 模 块 间 的接 合 要 素 要 便 于 联 接 与 分 离 。
法的运用提供支持 。 ２ ． ２ 导 航 系统 的 功 能 分 层 和 递 阶层 次 结 构
一
等， 都 要有全局把握 。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ４— ０ ０ ８ 稿件编号 ： ２ ０ １ ３ Ｏ ４ ０ ７ ７
般 意 义 上 的 导 航 系 统 结 构 可 归 结 为 如 图 １所 示 。
导航 计 算 后 向飞 行 控 制 系 统 输 出 飞 行 控 制 指 令 。 完 成 对 无 人
机 飞 行 航 线 的控 制 ： 第 二 是 实 时定 位无 人 机 在 水 平 空 间 中 的
位置 ， 并将其 传送地 面站管 理计算机 ， 实 现 地 面 站 的 航 迹 显 示 。 第 三 是 对 飞机 进 行 实 时 安 保 监 测 ， 并 及 时 处 理 出 现 的 不 同级 别 的 故 障 。 因 此 ， 导 航 计 算 机 软 件 应 具 以下 四种 性 能 ： １ ） 自主 飞 行 时 满 足 航 线 控 制 的要 求 ；
无 人 机 导 航 管 理 系 统 是 一 种 具 有 高 性 能 的 自主 导 航 、 自 动 飞行控 制 、 任 务 管 理 的综 合 系 统 【 ” 。 通常 由地面 站 、 导 航 计 算 机 及 其 机 载 软 件 组 成 。导 航 计 算 机 通 过 机 载 软件 处 理 地 面
２ ） 实 时性 高 ， 软件 可靠性高 ， 在 飞 机 出 现 异 常 的情 况 下
能够保证飞机的安全 ：
就需要在 开发设计前期要 做好 详尽 的策划 ，从 目录结构 、 命
名规 范 ， 到全 局和特例 的界 限划分 、 后 期 修 改 的 宽 容 度 估 计
３ ） 模块 化设计 易维护 ， 继承 性好 ， 能 为 各 种 导 航 控 制 方
站 信息 和飞控 系统反馈 的数据 ， 实现航线 控制 ， 任 务 设 备 管 理 以及 实 时安 全 保 障 。因此 导 航 软件 作 为 导航 管 理 系 统 的 核
心。 就 显 得 十 分 重 要 。本 文 将 基 于 Ｄ Ｓ Ｐ的 无 人 机 导 航 系 统 软
２ 无人 机 导 航 软 件 模 块 化 实现
第 ２ １ 卷 第 ｌ ６期
Ｖｏ １ ． ２１ Ｎｏ ． １ ６
电子 设 计 工 程
Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
２ ０ １ ３年 ８月
Ａｕ ｇ ．２ ０１ ３
某无人 机 导航 控 制 系统模 块化 设计
好 各 个 框 架 之 间 的输 入 、 输 出链 接 关 系 ， 进而得 到一 系列 以
功 能 块 为 单 位 的算 法 描 述 。模 块 化 的 目的 是 为 了降 低 程 序 复 杂度 ， 使程序设计 、 调 试 和 维 护 等 操 作 简 单 化 。模 块 化 设 计 ，
要求独 立性 、 可重复性 、 可修改性 、 统 一性 等是 比较高的 。 这
Ｓ Ｕ Ｓ ｈ ａ ｏ － ｌ ｉ ａ ｎ ｇ ，ＹＡＮ Ｊ ｉ ａ ｎ — ｇ ｕ ｏ ，Ｌ Ｖ Ｙｏ ｎ ｇ － ｙ ｉ ｎ
（ Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ａｕ ｔ ｏ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ， Ｎ ｏ ａ ｈ ｗ ｅ ｓ ｔ ｅ ｒ ｎ Ｐ ｏ ｌ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｘｉ ’ 吼 ７ １ ０ １ ２ ９ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ Ｕ Ａｎ ａ ｉ ｒ ｂ ｏ ｒ ｎ ｅ ｎ ａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ａ ｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ＵＡＶ ｎ ａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＤＳ Ｐ ． Ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｒ
苏少 良，闰建 国 ，吕永银
（ 西 北 工 业 大 学 自动 化 学 院 ，陕 西 西安 ７ １ ０ １ ２ ９ ）
摘要： 针 对 某 无 人 机 导航 控 制 系统 ， 设 计 了基 于 Ｄ Ｓ Ｐ 的 机 栽 导 航 系统 软 件 ， 提 出 了一 种 模 块 化 的设 计 思 想 ， 阐明 了