基于模型驱动技术的无人机ITF系统软件的研究与实现

第一章 绪 论

1.1 引言
无人机（Unmanned Aerial Vehicle，即 UAV）是一种采用无线电遥控或者采用飞行控制律自主飞行的无人驾驶飞行器[1]；无人机最早出现于 1920 年，最初用途是作靶机，进行导弹射击训练[2]；近年来，无人机在军事上和民营上的作用越来越重要，同时也进入发展迅速和前景空前广阔的阶段[3]。飞行控制系统在无人机研发及飞行过程中起着至关重要的作用，可以说没有飞行控制系统，无人机就失去了智能控制中枢。因此，飞行控制系统的可行性、可靠性检测必然贯穿整个无人机的研制、调试和检测的各个阶段[4]。因此，围绕整个飞行控制系统和无人机软硬件设备的测试系统应运而生。无人机综合测试设备（Intergated Test Facility，即 ITF），是飞行控制测试系统的核心系统之一[5]，同时属于地面综合测试系统的一部分，它是保证无人机安全飞行的一个重要系统。ITF是集多种功能于一体的自动化测试系统，主要负责无人机所有传感器系统、交联系统、地面测试设备及飞行控制计算机之间的交互通信的测试，完成飞行控制计算机 FLCC 的地面测试实验，是整个无人机研发过程中的一个重要环节[6,7]。
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1.2 研究背景及意义
上世纪 70 年代后期，随着航空航天设备系统的发展趋于复杂化，与设备有关的自动化测试逐渐成为影响系统稳定性和安全性的重要因素[8]。只有依靠可靠的实验调试和验证配合研发进度，才能研发出高可靠性高稳定性的航空电子设备系统。航空设备系统需求的逐渐增加，使得航空电子设备越来越复杂，配合设备进行测试的软硬件系统难度也越来越大。据估计，在无人机等航天设备的研发过程中，稳定性、安全性、完好性等的设备系统的功能检测，占到大约百分之七十至百分之八十的时间[9]。而无人机在进入人们的视野之后，逐渐应用于军事、民用等领域，而且功能发展越来越复杂。因此，研发与实现高可靠性、高复用率的无人机综合测试设备软件系统，在国防事业无人机领域中起到越来越重要的作用。当今国防电子信息产品正朝着数字集成化和故障诊断计算机化方向发展[10]，国防事业不但要求国防电子设备及产品具有先进的应对能力, 而且要求其具有良好的性能，包括稳定性、可靠性。随着武器装备系统的功能的快速发展与其在高科技领域的突破, 其测试与维修随着系统的复杂度、集成度的提高难度逐渐增加,而传统的电子设备及硬件设备的配套测试系统逐渐不能满足设备测试的需求。因此，研发具有通用性、高复用性、高稳定度的 ITF 势在必行。为了保证航空航天的安全行、可靠性，标准化航空航天科工的流程，1990 年美国空军颁发了军用标准：MTL-STD-1797A[11]，对航空飞机的设计方案及飞行品质等进行了分析和研究，这些验证要求不仅可以确保飞机的飞行安全和飞行品质，而且可以缩短飞机研制和试飞的周期、节省科研经费，也为我国新型号飞机的研制提供有价值的资料。
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第二章 需求分析及总体设计

2.1 软件需求分析
无人机综合测试设备系统是无人机地面测试实验的重要组成部分，主要用来承担信号截取、模型仿真的任务[31]，将底层交互数据转化为虚拟仪表形式的可视化数据[32]，便于工作人员对无人机飞控系统及机电设备进行较为直观的分析，以便对各类故障进行排查。目前，我国无人机综合测试设备软件，结构较为简单，但是在多线程模拟多个功能模块的同时，每个功能模块都需要专业的代码对功能逻辑进行描述，这增加了系统软件的耦合度和复杂度，对于本就复杂的功能模块来说，开发人员很容易在编写代码的时留下微小的隐患，最终增加软件的调试成本和地面试验的实验成本。基于代码的 ITF 不仅存在上述问题，同时还存在开发周期长、可扩展性差、可复用性差等问题，本章结合无人机地面试验的整体需求，结合软件研发的发展方向，提出基于设计模式和模型驱动技术的 ITF 的整体设计研发方案。ITF 是为了配合无人机地面测试实验中飞控系统的测试而专门研发设计的一个专业系统，包含硬件系统和软件系统，本文主要负责软件系统的研发与设计。在介绍 ITF 软件系统实现之前，首先需要明确无人机飞控系统结构测试需求： 整个飞控系统主要由传感器系统、飞控计算机、各类舵机系统、电源系统、导航系统等多种系统设备组成[33]；飞控计算机为了满足任务需求，基本采用三余度结构进行设计，即由 A、B、C 三个通道的计算机组成，传感器系统主要由温度传感器、动压传感器、静压传感器、垂直陀螺、攻角传感器、侧滑角传感器、速度传感器、加速度传感器、大气计算机、航姿系统、差分 GPS、无线电高度表等组成。
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2.2 软件总体设计
根据无人机地面测试实验需求分析，ITF 架构分为三大模块，其中三大模块主要是模型驱动模块、基于 COM 的组态软件模块和数据通信模块。整个软件架构设计如图 2-3 所示。主要由无人机各子系统的 COM 组件模型和模型的智能管理接口构成，可实现仿真模型 COM 动态加载和创建，仿真无人机各子系统驱动系统运行，为无人机综合测试实验提供数据。模型驱动模块的实现首先要采用模型驱动技术对无人机子系统 Simulink 仿真模型进行 RTW 自动代码转化，将模型转化生成的代码封装成 COM 组件，避免传统的直接手动实现模型代码的缺陷；同时，采用封装 COM 组件模型与模型的智能管理接口相互合作，实现无人机子系统模型的动态加载和动态切换。对于实现通用无人机 ITF 系统软件具有重要意义。ITF 组态软件模块获取无人机机载软件输出信号及 MBIT 信号驱动模型运行；模型驱动模块代替无人机实物模块为 ITF 组态软件模块提供数据驱动，ITF 组态软件模块再将数据进行处理转发，分派给无人机机载软件和 AC 飞行包，驱动二者的逻辑代码运行。COM 组件模型与 ITF 组态软件模块的数据交互通过一级缓冲区和协议处理模块实现。
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第三章 模型驱动模块设计及实现....15
3.1 模型驱动技术 .........15
3.2 模型驱动的设计方案 .........16
3.3 无人机飞控系统建模 .........17
3.4 仿真模型转 COM 组件实现 ....19
3.4.1 COM 组件的引入 .........19
3.4.2 SIMULINK 与 VC++混合编程......20
3.4.3 RTW 自动代码生成......20
3.4.4 组件模型设计及实现 .........21
3.5 模型驱动接口设计及实现 .......26
3.6 本章小结 .....29
第四章 组态软件模块设计及实现....30
4.1 组态软件设计技术 .......30
4.2 组态子系统模块的设计及实现 .....31
4.3 功能模块的设计及实现 .....43
4.4 本章小结 .....48
第五章 数据通信模块设计及实现....49
5.1 数据通信设计方案 .......49
5.2 完成端口串口通信的设计及实现 .......49
5.2.1 完成端口串口通信的设计 .......49
5.2.2 完成端口串口通信的实现 .......50
5.3 USB 通信的设计及实现.....52
5.4 本章小结 .....62

第六章 系统功能测试及验证

6.1 模型驱动模块测试
为了验证无人机综合测试设备 ITF 软件在无人机地面实验过程中的数据测试的有效性和可靠性，本文首先对模型驱动模块、USB 通信模块和组态界面模块进行测试，然后在测试顺利通过的基础上，根据 ITF 软件测试、无人机机载代码测试、无人机半实物仿真实验、无人机实物仿真实验等多个实验，对无人机进行地面测试，并对软件中有可能存在小范围的问题进行软件迭代。其中 ITF 软件测试，主要包含在无人机静态测试试验中，即对软件操作以及和无人机机载代码、MBIT、DSP/FPGA 三者进行数据交互的验证；半实物仿真是将无人机的部分实物信号接入测试回路，对无人机接入的实物和机载代码进行测试；全实物仿真是 ITF 采集的信号全部是无人机实物的真实数据，ITF 此时主要起到监控的作用。以下章节将对上述测试进行详细介绍。一般不同的模型对应不同的标准协议接口库文件，因此在使用的时候需要注意接口文件和模型对应。对于模型驱动的测试在于是否能够从模型中获取正确的数据，测试过程和静态测试实验有点类似。在保证模型驱动测试通过的情况下，才能够进行其他标准实验测试。
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结论

本文结合无人机飞行控制领域的背景和自动化测试系统与无人机综合测试设备系统国内外发展现状，提出了 ITF 系统的研究内容和研究意义；依据实际项目需求，提出了 ITF 系统软件的设计思路和设计方案，阐述了研究内容涉及的技术要点和研究方案，指出采用模型驱动技术的软件系统的优势。结合无人机飞控系统软硬件设备，根据无人机飞控系统模块划分和检测需求，详细阐述了无人机地面试验过程中飞控系统的测试方向，将数据采集功能、信号模拟功能、电源监控功能、数据处理功能、舵机检测功能和故障模拟功能加入软件设计方案，同时对各功能进行详细说明；依据软件需求分析，对无人机综合测试设备软件整体架构进行了设计，提出三大模块，主要是模型驱动模块、数据通信模块、基于 COM 的组态软件模块，其中数据通信模块由完成端口串口通信和USB 通信组成；组态软件模块分为组态子系统模块和底层的功能模块，其中组态子系统是组态界面实现，底层功能模块包括协议信息模块、协议处理模块、输入输出缓冲模块、实时运行模块和实验构型模块，介绍了本系统的模型驱动模块的工作原理和组态架构的工作原理。契合 DO-178 标准 FLCC，开发无人机综合测试设备软件，采用模型驱动技术和 COM 组件技术实现模型驱动模块的设计，为 ITF 软件的扩展和迭代打下良好的基础。
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参考文献（略）