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无人机飞行管理反应式系统的规范化设计
发布日期:2018-01-30  来源:空军工程大学学报(自然科学版)   浏览次数:117
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反应式系统在工业过程中飞机控制或汽车控制、嵌入式操作系统以及人机联合操控接口方面得到了广泛的应用,与交互式系统相比,它能够更好地在其自身速度内反映所在环境信息,该领域涵盖了操作系统、数据包、网络、分布式算法等。交互式系统和反应式系统在行为决策方面存在着很大的差异,交互式系统经常被认为是无决策能力的,并且经常受制于反应式系统。
未来在无人机系统中引入飞行管理系统可实现分布式空中飞行管制,飞行管理系统的主要作用体现在以下几个方面:
一、规划航迹,生成一系列合理的飞行模式,计算出一条可行的航迹管理,无人机沿预定航线飞行。
二、在无人机群执行任务时切换不同的飞行工作模式,规避障碍物及飞行包线保护。
三、无人机飞行管理系统的任务本质决定了它必须是一个反应式系统,因为它需要根据上述功能使无人机根据不同的飞行环境来切换控制模式。
四、飞行管理系统在执行飞行任务时,其可靠性与安全性比飞行性能更为重要。实行规范的检测与自动集成信息处理是确保安全唯一出路,而对于系统复杂性和不均匀性的管理是其关键所在。
2反应式系统的规范化设计方法
在控制系统规范化设计中,表征系统模型特性的计算模型(MOC)的选择是非常重要的,为了能够选择合理的简化计算模型,需要了解系统的主要特性,根据系统的特征简化计算模型。在反应式系统设计中需要引入一种包含有层次架构、优先权(到达时间不规则或不确定的输入事件)并发事件及时序排列的规范化语言。该系统的一个广泛应用的表述模型即有限状态机模型(Finite State Machine,即FSM)。
定义1 有限状态机(FMS)是一个五元组其中I是一个有限设置输入符号,O是一个有限设置输出符号,X是一个状态量的有限设置,是有限状态设置,是变换函数关系式。
一个有限状态机包含系统所有期望的特性及扰动信息,作为一个特定而又确定函数。其缺点在于飞行数据计算难以实现。有限状态机模型属于纯粹的反应式系统,这就要求几乎所有的控制应用数据可以精确得到。
扩展有限状态机是一种更加合适的模型,该有限状态机变换函数可以由一个内部变量设置得到。它作用于一套由计算值、相关的、布尔运算定义函数得到有限值变量。但是扩展有限状态机模型却有一个基本的限制条件:EFSM间的通信必须是完全同步的,所以在拥有软硬件结合模块的分布式环境中它是不可用的。软硬件模块执行过程中的最大特点即它们在执行和通信过程中由不同的行为规范所定义,所以期望的MOC必须要反映这一特性,将FSM定义扩展到包含异步通信特性的要求进一步引出所谓的协同设计有限状态机(CFSM)。CFSM可以看做是一个包含数据通信部分的FSM,CFSM利用其局部同步特性,可以根据输入指令几乎同步生成一个输出响应,总的来说,CFSM具有同步通信特性;每个CFSM读取一个输入可在有限时间内生成一个输出变量。本文中将采用一种叫做同步语言来搭建每个独立的CFSM模型。其特点是通信和区间通信几乎同步,这一特性是完全可以预测到的,完全同步的是不存在的。CFSM间的通信是包含或者不包含数据信息的控制信号的事件通信。
本文中采用的高级嵌入式系统仿真语言为Esterel,它是一种形式上可验证的描述控制系统硬件的高级语言,适用性强、安全的实时系统编程,Esterel思想很简单,它基于提供一个同步时间模型的简单软件语言。也就是说,程序的执行被分割成多个离散常量,语句保证在单个、或多个离散常量时间内执行。其层次性有程序调用来保持,两个基本控件决定着优先权函数,一个可以使模块为当前事件终止运算,另一个并行控件则不用终止运算,在Esterel中不能进行数据操作运算,设计师需要在运行环境外编译相应函数并将其连接到程序当中。同时在软硬件集成阶段,同步假设使得非同步子系统间的通讯模型难以构建,这是需要在Esterel外制定时序架构。首先,将制定的行为由软硬件中间格式语言生成CFSM,下一步将不同的CFSM连接起来,这在Ptolemy仿真环境中实现。在本阶段可以进行规范性验证,这个技术虽然计算量较大却很重要,可以在早期事件层面执行错误项规范性验证并且保持规范性验证方案的低复杂性。
下一步主要包括执行体系结构的选择,采用规范化方法,其优点是可以采用自动集成技术,主要进行一下三个基本设计:区域分割、架构选择和进程调度,由于这三个步骤需要响应工程经验,设计师可以根据需要进行选择。本文设计中为几种微控软件系统执行提供了一个程序库,为硬件集成控制提供相应的ASICS。设计的调度程序来管理CFSM间的通讯信息,完成体系结构的确定后系统就可以进行Ptolemy系统仿真。
设计中集成仿真可用于功能调试和程序选择处理执行分析,软硬件联合仿真一般是由不同的独立模型进行的,本设计中使软硬件在相同的仿真环境中进行。其基本概念是采用合成的C代码编译整个系统的模型,不用考虑其未来运行环境。

图1 系统信息流图表 图2任务飞行方案
3无人直升机飞行管理系统设计
本节将给出无人直升机系统执行某项任务时飞行管理系统在该设计策略下的建模与仿真,飞行管理系统的模型由分级有限状态机构成,执行事件为在预定区域内搜寻某项任务目标,并在找到目标时执行侦查任务,该系统可分为三大模块:飞行管理系统负责规划和控制无人直升机、侦察系统负责侦查目标信息和无人直升机系统。图2中给出了计划任务事项,为了验证系统功能,将会把一个待测目标设置在无人直升机飞行航线内。

图3系统架构 图4系统架构框图
飞行管理系统包含四个控制等级:战略层、战术层、航迹规划层和飞行管理层,如图3所示。在ESTEREL中层次性分明每个模块构建一个FSM模型来管理指定行为,独立的模块将会被集成到Ptolemy环境中构成完整的系统。
系统架构如图4所示,起始点stars代表不同模块的基础模块单元,本节将详细介绍各个基础模块单元的功能。
战略规划层(Strategic Planner)主要参与计划于执行中央UAV任务,它将规划一条粗略的存储为航点序列的自优化轨迹。给出一系列的任务规划航点,这一层同样关注在执行相关子任务时不同航点间的转换。当任务目标检测到时,无人机将进入侦查模式,战略规划层保存当前航点当完成侦察任务时继续工作。在本文测试中,战略规划中包含一系列的航点,其中,。
战术规划层(Tactical Planner)主要负责协调和执行相应行为动作,并可以根据安全需要驳回战略规划层发出的不安全行为指令(飞行避障),如下图5所示,给战略规划层设定的航点通过一个插值表转换到实际飞行航线中,然后给出能够达到预定目标的一系列飞行模式要求的正确序列。当侦查模块被触发时,战术规划层将转入侦查模式,并给出侦查目标的坐标信息,然后为执行新的任务生成新的飞行航点。在本文的试验中,无人直升机将会从到穿过任务目标点,新的航点序列将会变成,其中为悬停航点,位于目标点之上,和前一航点坐标相同但是高度相对较低。完成侦查后将会继续在预设航路中进行新的目标搜寻。

图5战术规划的FSM描述 图6分段线性航迹
航迹规划层(Trajectory Planner)根据精确的动力学模型、传感器信息以及待输出航迹来为无人直升机设计一套全状态的规范航迹,及符合飞行动力学要求的飞行模态的序列。航迹规划层给出战术规划层指定飞行模式类型信息,并选择相应的输出和合适的控制器。几种不同类型的航迹可引入到航点控制上,本文仅选用分段连续航迹,其中无人直升机会在每个航点都做悬停,如图6所示。
该飞行管理策略是最简单也是最安全的飞行模式,它能够完全解耦操纵特性和分通道控制。下一步的工作中将会设计一些不同类型的高级航迹规划,可根据不同的任务目标在这些航迹规划中进行在线选择,如避免过激操纵、碰撞规避、最低油耗以及最短航时等等。战术规划层在完成某子事件后向发出下一个航点的战略规划层发送认证信号,模态切换被限制在图7中正确的序列中。每个基本控制模态都会关联一系列联合控制作用,在管理层每次激活一个基本控制模态。

图7模态转换图
管理控制系统(Regulation Layer)联合飞行器构成了整个系统的连续部分,管理控制系统接收无人直升机传感器信息生成管理给定航迹飞行的控制信号。它构成了所谓的自主飞行系统,它接收飞行模式并根据系统状态计算控制飞行器信号,无人直升机只有4个控制输入,那么6自由度中只有4个可以完全控制。所以我们假设内环系统是线性模型,4个控制信号用来直接控制4个给定输出信号,对飞行器模型进行输入输出线性化后可以设计一套线性控制律。
探测器(Detector)具有一定的探测能力,图像处理时间和视角将会限制无人直升机的最大飞行速度探测器与战略规划层和战术规划层进行通信。当探测器触发时,将会给战术规划层发送一个预判信号,战术规划层将会切换到侦查执行模式,如图7所示,一旦执行完侦查模式,探测器将会给战速规划层发送一个侦查阶段结束的信号。
 
 
 
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