基于嵌入式实时操作系统的小型飞行器安全控制系统研究.pdf

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1、硕士学位论文基于嵌入式实时操作系统的小型飞行器安全控制系统研究ANUNMANNEDAERIALVEHICLESAFETYCONTROLSYSTEMBASEDONEMBEDEDREALTIMEOPERATINGSYSTEM梁辰哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP242学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文基于嵌入式实时操作系统的小型飞行器安全控制系统研究硕士研究生：梁辰导师：朱晓蕊教授申请学位：工程硕士学科：控制工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP

2、242U.D.C:621DissertationfortheMaster’sDegreeofEngineeringANUNMANNEDAERIALVEHICLESAFETYCONTROLSYSTEMBASEDONEMBEDEDREALTIMEOPERATINGSYSTEMCandidate：LiangChenSupervisor：Prof.ZhuXiaoruiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSch

3、oolDateofDefence：June.2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着微机电系统的成熟，小型四旋翼无人飞行器以其灵活性快速的进入了民用以及商用领域，在电影拍摄、电力巡检、灾难救援等诸多方面都得到了快速的发展及应用。但由于其本身系统的复杂性、消费人员技术门槛较低、监管法律法规不健全等多方面因素，四旋翼无人飞行器造成的事故频繁发生，对人们的生命财产安全埋下了很大的隐患。本文针对小型四旋翼无人机系统的现状，以深圳市国际合作项目《新一代小型无人机安全飞行控制系统的研

4、究》为背景，与合作方耶鲁大学计算机Flint实验室共同开发了一套基于可信嵌入式操作系统的四旋翼无人机控制系统，意图提高小型四旋翼飞行器的可靠性及安全性。该系统以可信操作系统CertiKOS-ARM内核为基础，合理设计了基于树莓派3开发板的飞行器系统安全架构，基于该架构重新编写实现了飞行器硬件平台所需的所有驱动代码以及控制算法代码，以更精简更合理的代码结构实现了小型四旋翼飞行器的姿态控制系统。基于飞行器系统的需求，设计实现了基于多进程调度机制的控制系统，对操作系统的中断机制和进程调度算法作出了相应的改进，使其能够更好的为飞行器控制系统提供服务。对于进程任务可靠性方面

5、，本文引入了代码形式化验证技术，对系统驱动的核心部分SPI总线驱动进行了形式化验证，最终排除了驱动中难以使用常规测试手段发现的软件缺陷。由于飞行器失控的最主要的原因是由于飞行控制器执行时间过长，对于造成飞行器控制环路延迟的原因可能会有很多，难以一一排除，这里本文将注意力聚集在针对进程延迟的容错机制设计，结合实时操作系统的调度算法，创新性的提出了利用进程任务切换实现的故障处理机制以及应急停桨机制。最后本文的实验部分，通过对单进程与多进程飞行系统的飞行测试对比，形式化验证前后SPI总线驱动对飞行系统的影响，多进程飞行器故障处理恢复模块以及紧急停桨模块的飞行测试以及静态

6、测试这三个实验，证明了本文基于嵌入式实时操作系统的四旋翼飞行器控制系统设计及实现可以极大的提高和保证飞行器控制系统的可靠性和安全性。关键词：四旋翼无人机；嵌入式操作系统；形式化验证；实时调度算法；容错模块设计-I-AbstractAbstractWiththedevelopingoftheMEMS,thesmallquadrotordronetechniquehasrapidlyenteredcivildomainandcommercialfieldbecauseofflexibility,andithasbeenrapidlyappliedinmanyaspec

7、tssuchasmovieshooting,powerinspection,anddisasterrelief.Howeverduetothecomplexityofdronesystem,lowtechnicalbarriersforconsumers,andincompleteregulatorylaw,etc.Theaccidentscausedbythedroneoccursfrequently,whichposesgreatriskstopeople’slivesandproperty.Thispaperfocusesonthecurrentstatus

8、ofthe