四旋翼無人機車載自動起降控制模塊的設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u903四旋翼無人機車載自動起降控制模塊的設(shè)計案例 1327651.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計 11341.2系統(tǒng)主要硬件設(shè)計 4170511.3結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 102511.4系統(tǒng)通信接口設(shè)計 1322861.5系統(tǒng)軟件設(shè)計 161.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計1.1.1系統(tǒng)組成車載自動起降控制模塊由北斗/GPS模塊、WIFI控制器、攝像機、超聲波傳感器、接近開關(guān)、主控計算機、采集控制器、電機驅(qū)動器外圍殼體、艙門、SDI攝像機、升降平臺、艙體等組成，主控計算機預(yù)留VGA顯示接口輸出到外接顯示器，起降控制模塊系統(tǒng)組成圖如圖1.1所示。接近開關(guān)接近開關(guān)電機驅(qū)動器攝像機主控計算機超聲波傳感器WIFI控制器采集控制器升降平臺ADI/OCAN總線北斗/GPS模塊圖1.1車載自動起降控制模塊系統(tǒng)組成圖1.1.2工作原理車載自動起降控制模塊模塊所以部件均安裝在艙體內(nèi)，艙體外部預(yù)留有與車輛對接的機械接口和電氣控制接口。車載自動起降控制模塊有2種工作模式如圖1.2所示，第一種工作模式是閉合模式，該模式系統(tǒng)處于不上電關(guān)閉狀態(tài)，用于無人機的機動運輸和安全防護。第二種工作狀態(tài)及模塊打開狀態(tài)，處于該狀態(tài)時系統(tǒng)所有設(shè)備開啟，控制模塊艙門打開，升降平臺升起，可完成無人機的起降控制。模塊閉合模式模塊打開模式圖1.2車載自動起降控制模塊工作模式無人在起飛前控制模塊與無人機只進行無線通信連接自檢，不參與無人機起飛控制；無人在降落過程中，控制模塊啟動控制工作，當(dāng)人機進入到控制模塊的攝像頭視場中被被主控計算機檢測到，控制模塊接管無人機的降落過程，首先控制無人機水平前后位移，接著控制無人機上下位移，無人機成功降落后，升降平臺降落，關(guān)閉艙門，完成無人機整改起降過程。1.1.3總體結(jié)構(gòu)車載起降控制模塊總體機構(gòu)由艙體、艙門、升降平臺、攝像機、超聲波傳感器、升降桅桿、推桿電機、主控計算機、采集控制盒、電機驅(qū)動器等組成。起降控制模塊結(jié)構(gòu)組成如圖1.3所示圖1.3升降控制模塊組成起降控制模塊在結(jié)構(gòu)上采用模塊化的設(shè)計思路，即是根據(jù)部件功能之間的物理相關(guān)性,將各個功能模塊分別組成部件，然后再將各個部件模塊化組成整機。設(shè)計時各個模塊之間除了物理連接之外，在功能上沒有相互關(guān)聯(lián)，保證換修一個模塊不移動、拆裝到其他模塊，不會對其他模塊的功能和性能造成影響，模塊化的設(shè)計可保證在部件損壞時快速的更換?；谏鲜鲈O(shè)計思路，起降控制模塊的艙體分為上、下兩個艙體空間。上艙體為功能艙體，內(nèi)置有升降平臺，作為無人機的起降平臺，平臺上安裝有SDI攝像機、超聲波傳感器，用于檢測無人機空間相對位置；上艙門安裝有北斗/GPS模塊，用于測量控制模塊位置信息；下艙體為控制艙體，安裝有電機驅(qū)動器、主控盒、計算機等模塊，用于控制上艙體艙門的開合、無人機的起降等上艙艙門的開合通過推桿電機實現(xiàn)，兩扇門可實現(xiàn)同步開合，張開角度為130°，可滿足無人機的安全起降。1.1.4控制信息需求分析車載自動起降控制模塊中的主控計算機、北斗/GPS模塊、采集控制器、電機驅(qū)動器之間需要實時進行通信，傳輸控制信息。各模塊直接傳輸信息內(nèi)容和處理頻率如表1.1所示。表1.1控制信息數(shù)據(jù)列表發(fā)出模塊接收模塊信息內(nèi)容處理頻率主控計算機電機驅(qū)動器艙門打開命令、艙門閉合命令、平臺升起命令、平臺降落命令觸發(fā)采集控制器主控計算機艙門打開、閉合反饋信息；平臺升起、降落反饋信息。觸發(fā)采集控制器主控計算機超聲波測距信息10Hz主控計算機WIFI控制器無人機運動速度信息50Hz北斗/GPS模塊主控計算機無人機運動位置信息10Hz1.2系統(tǒng)主要硬件設(shè)計1.2.1攝像機1）攝像機信號的輸出選擇現(xiàn)在主要有USB、1394、CameraLink、千兆網(wǎng)（GigE）、SDI等多種類型輸出接口。USB接口相機的幀率高，性價比高，與電腦通訊方便，PC標準接口，但傳輸速率較慢，接口不穩(wěn)定；1394相機接口占用CPU資源少，幀頻高，穩(wěn)定，但電腦上通常不包含其接口，因此需要額外的采集卡，價格昂貴；CameraLink接口傳輸速度快，但需要單獨的接口，不便捷，成本較高；千兆網(wǎng)接口主要用做高速、大數(shù)據(jù)量的圖像傳輸，傳輸距離遠，速度更快，PC標準接口，對計算機配置相對要求高。SDI接口是一種“數(shù)字分量串行接口”，而HD-SDI接口[31]是一種廣播級的高清數(shù)字輸入和輸出端口，其中HD表示高清信號。由于SDI接口不能直接傳送壓縮數(shù)字信號，數(shù)字錄像機、硬盤等設(shè)備記錄的壓縮信號重放后，必須經(jīng)解壓并經(jīng)SDI接口輸出才能進入SDI系統(tǒng)。如果反復(fù)解壓和壓縮，必將引起圖像質(zhì)量下降和延時增加，為此各種不同格式的數(shù)字錄像機和非線性編輯系統(tǒng)，規(guī)定了自己的用于直接傳輸壓縮數(shù)字信號的接口。在非編后期制作，廣播電臺等領(lǐng)域，HD-SDI應(yīng)用較為廣泛，其是根據(jù)SMPTE292M協(xié)議[32]，在1.485Gb/s或1.485/1.001Gb/s的信號速率條件下傳輸?shù)慕涌谝?guī)格。該規(guī)格規(guī)定了數(shù)據(jù)格式、信道編碼方式、同軸電纜接口的信號規(guī)格、連接器及電纜類型與光纖接口等。HD-SDI接口采用同軸電纜，以BNC接口作為線纜標準，有效距離可達100m。相對于廣泛應(yīng)用于監(jiān)控領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)高清攝像機，HD-SDI數(shù)字高清攝像機有很大的技術(shù)特點如：圖像高清不失真，HD-SDI數(shù)字高清攝像機輸出的視頻信號為未經(jīng)過壓縮的院所視頻數(shù)字信號，所以不會因視頻編碼壓縮而產(chǎn)生視頻清晰度下降、圖像失真等問題。傳送不延遲，相對于網(wǎng)絡(luò)高清攝像鏡的300ms以上的圖像延遲，HD-SDI數(shù)字高清攝像機的圖像可接近零延遲，實現(xiàn)真正的實時圖像視頻輸出；同時網(wǎng)絡(luò)視頻信號在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延時會達到10s甚至更大，二HD-SDI數(shù)字高清攝像機輸出視頻信號是經(jīng)過同軸電纜傳輸，可保證傳輸部產(chǎn)生延遲。安全性高，HD-SDI數(shù)字高清攝像機傳輸?shù)氖俏唇?jīng)壓縮的原始信號，其系統(tǒng)封閉性高，安全性高。2）攝像機視場角計算根據(jù)GPS誤差和控制距離估算要求變焦攝像機能在100m遠識別發(fā)現(xiàn)無人機，即在視頻圖像上能分辨目標無人機形狀特征。除環(huán)境因素外無人機圖像能否分辨主要根圖像像素大小有關(guān)，圖1.4中的無人機圖像大小分別為16×16像素、24×24像素、32×32像素、48×48像素、64×64像素。16×16像素24×24像素32×32像素48×48像素64×64像素圖1.4根據(jù)顯示圖像分析當(dāng)無人機圖像為32×32像素大小時即可識別。擬選用圖像分辨率為1920×1080像素的SDI高清攝像機，本文控制的無人機大小為0.35m×0.35m。在視頻圖像能否發(fā)現(xiàn)100m處的無人機目標，在攝像機分辨率已確定的前提下首先應(yīng)確定鏡頭的視場角。物體水平向成像示意圖如圖5所示。圖1.4物體成像示意圖圖1.4中，f為鏡頭焦距，h為攝像機相面尺寸，L為鏡頭到物體的距離，H為視野物體的高度，Hm為目標物體的高度，hm為目標物體在攝像機相面所占尺寸，α為鏡頭水平視場角。根據(jù)圖中空間幾何關(guān)系可推導(dǎo)以下公式：HmH2tanα2=根據(jù)公式1.1和公式1.2，設(shè)計時設(shè)定L確100m，Hm取0.35m/2,hm/(h/2)為目標物體成像所占像素處攝像機水平向總像素即是32/1920。由此求得鏡頭水平視場角α為11.99°，約等于12°。當(dāng)攝像機成像所需視場角確定后，攝像機所配置的鏡頭，其焦距大小主要與攝像機所選的圖像傳感器焦平面大小有關(guān)。3）攝像機鏡頭焦距計算攝像機鏡頭的作用是把被觀察的目標光像呈現(xiàn)在攝像機的圖像傳感器靶面上，也稱光學(xué)成像。將各種不同形狀、不同介質(zhì)（塑料、玻璃或晶體）的光學(xué)零件（反射鏡、透射鏡、棱鏡）按一定方式組合起來，使得光線經(jīng)過這些光學(xué)零件的投射或反射以后，按照成像需要改變光線的傳輸方向而被圖像傳感器接收，即完成了物體的光學(xué)成像過程。光學(xué)鏡頭一般由多組不同曲面曲率的透鏡按不同間距組合而成，應(yīng)滿足成像清晰、透光率高、像面照度分布均勻、圖像畸變小等要求。根據(jù)圖1.4所示，當(dāng)視場角確定后，鏡頭的焦距大小選取由攝像機焦平面尺寸決定。f=LhH=在設(shè)計時選擇了1/2.8in圖像傳感器（水平向尺寸h為7.9mm），α取值12°，因此根據(jù)公式1.3可求得鏡頭焦距f約為37.6mm。綜合總體機構(gòu)、信號接口、圖像成像大小等要求，選擇VRS-HD5301A型1080PSDI高清一體化攝像機，鏡頭與圖像傳感器集成為一體，外形如圖1.5所示。圖1.5SDI高清一體化攝像機該攝像機支持30倍光學(xué)連續(xù)變焦，鏡頭焦距f4.3mm至129mm，視場角63.7°至2.3°可滿足系統(tǒng)要求，攝像機主要技術(shù)參數(shù)如表1.2所示。表1.2攝像機主要技術(shù)參數(shù)圖像傳感器1/2.8-type“Exmor”CMOS圖像分辨率約238萬像素鏡頭30倍光學(xué)變焦，12倍數(shù)字變焦焦距f=4.3mm(wide)～129mm(tele)最低照度0.1lux(彩色)0.008lux(黑白)最小物距10mm(廣角端)至1000mm(遠端)(默認300mm)水平視角63.7（近端）～2.3度（遠端）信噪比大于50dB1.2.2超聲波傳感器超聲波測距是一種非接觸式檢測方式，在使用中不受光照度、電磁場、被測物色彩等因素的影響，加之其信息處理簡單、速度快、成本低，在機器人避障和定位、車輛自動導(dǎo)航、液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。諧振頻率高于20kHz的聲波稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，反射能力越強，而繞射能力越弱。利用超聲波的這種特性，常常用渡越時間檢測法進行距離的測量。其工作原理是：換能器向介質(zhì)發(fā)射超聲波，聲波遇到目標后必然有反射回波作用在換能器上。若已知介質(zhì)中聲速為C，回波到達時刻與發(fā)射波時刻的時間差為t，就可以計算出發(fā)射點與反射點的距離S：（1.4）式中C為超聲波的傳播速度，m／s。由于氣體與液體中剪切模量為零，因而在氣體和液體只能傳播縱波而不能傳播橫波。如果忽略空氣中的水蒸氣和其他雜物的影響，超聲波在常溫下的傳播速度是340m／S，空氣中溫度、濕度、壓強等因素對超聲波傳播速度產(chǎn)生一定的影響，其中以溫度的影響為大[33]。一般情況下，溫度每升高1℃，聲速增加約為0．6m/s空氣中的聲波傳播速度可近似地表示為：（1.5）式中T為環(huán)境溫度，℃。根據(jù)探測距離選用倍加福UC2000-30GM系列超聲波測距傳感器。傳感器檢測距離2米，特性如圖1.6所示。圖主控計算機設(shè)計在本系統(tǒng)中主控計算機主要作用是，圖像處理，控制決策運算，接收、處理、輸出總線控制命令等。該系統(tǒng)的主控計算機一般工作在沙塵飛揚、顛簸振動、高溫嚴寒、強電磁干擾等惡劣的野外環(huán)境。因此在主控計算機設(shè)計時優(yōu)先考慮車載加固計算機方案。車載加固計算機區(qū)別于通用計算機，其最大的特點是首先要在保證可靠性和安全性的前提下對計算性能進行選擇。因此，不同于通用計算機和傳統(tǒng)工控機對CPU速度性能的刻意追求，而是在著意于滿足計算性能的基礎(chǔ)上對計算平臺的電氣和物理性能的穩(wěn)固性的要求。以往車載加固機，通常選用傳統(tǒng)商用或傳統(tǒng)工控機CPU板卡和其它組件封裝在加固機箱中，構(gòu)成車載加固機系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)商用或傳統(tǒng)工控機CPU卡無論在電氣性能和機械性能的穩(wěn)固性方面，都存在先天性的不足，使得基于此類平臺的車載加固計算機的可靠性和可用性難盡人意，而CPCI總線技術(shù)應(yīng)用于車載加固計算機領(lǐng)域，使其可靠性和可用性大幅度提高。采用CPCI架構(gòu)的加固計算平臺，相對于商業(yè)PC和傳統(tǒng)的工業(yè)PC架構(gòu)來講，更能適應(yīng)相對作業(yè)環(huán)境較為惡劣的環(huán)境（諸如溫度、沖擊、振動、灰塵、電磁干擾、射頻干擾等），從而保證系統(tǒng)在惡劣條件下的穩(wěn)定運行。CPCI是CompactPCI的簡稱，是一種基于標準PCI總線的小巧緊湊而又堅固可靠的高性能總線技術(shù)。它將VME（VersaModuleEurocard）[34]密集堅固的封裝和極佳的冷卻效能與通用廉價、技術(shù)發(fā)展迅速的PC資源高度融合，定義了更加堅固耐用的PCI版本。使用標準的Eurocard外型插卡，安裝于固定支架上，采用垂直安裝、前抽取結(jié)構(gòu)，提高了板卡的散熱性、抗振性和易維護性。CPCI的電氣特性與PCI總線相同，因此用戶的軟件和普通PC兼容，現(xiàn)有的PCI外圍卡也可以很容易移植到CPCI平臺。CPCI雖然與標準PCI屬同一標準，二者還是有很大的不同。與傳統(tǒng)商用PC和工控機相比，CPCI具有如下優(yōu)點：（1）系統(tǒng)抗振性強CPCI板卡上下有導(dǎo)軌固定，板卡的前端通過氣密性的針孔連接器和背板相連，每個接頭具有10kg的結(jié)合力。板卡可以通過面板螺絲固定在機箱上。CPCI板卡的前后上下都被固定，因此系統(tǒng)抗振性大大提高。（2）板卡垂直安裝，有利于散熱CPCI板卡采用歐規(guī)卡結(jié)構(gòu)，板卡垂直安裝，系統(tǒng)的散熱氣流從下而上吹，符合空氣對流原理，散熱效果好。（3）CPCI板卡具有更好的電氣特性CPCI背板插針和接頭全部鍍金，并嚴格定義了信號線的最長長度，PCB板的阻抗、去偶電容、PCI上拉電阻阻值等電氣參數(shù)，因此CPCI的電氣特性要優(yōu)于普通PCI工控機。（4）防腐和電磁屏蔽性好CPCI使用2mm氣密性針孔總線連接器，鹽霧、酸霧和帶電粉塵不能腐蝕總線。同時，CPCI的全鋁合金機箱外殼和板卡的U型彈簧片能給系統(tǒng)提供良好的電磁屏蔽保護。（5）抗靜電好CPCI板卡下端具有3段靜電導(dǎo)出條，可以靜電導(dǎo)出到大地。另外CPCI規(guī)定系統(tǒng)的邏輯地和機箱地隔離，保持系統(tǒng)不受外界干擾。基于PICMG1.0的工控機無法做到機箱地和邏輯地隔離。（6）機箱深度淺，便于機柜安裝CPCI的機箱深度只有258mm，大大短于普通工控機的機箱深度400～450mm，給機柜安裝留下了更大空間，便于用戶安裝其它配線設(shè)備。

本系統(tǒng)在機箱設(shè)計時采用了ATR加固結(jié)構(gòu)設(shè)計（GJB441-1988），具有高級別的環(huán)境保護設(shè)計和散熱性能。前面板安裝有手提把手，便于移動。CPCI擴展底板安裝在機箱底座上，可以插接5個IEEE1101.21992標準板卡，并為其調(diào)節(jié)直流供電分配。板卡在機箱內(nèi)部牢固卡緊，不僅保證了板卡的物理安全，也形成了良好的熱接觸。同時，機箱尾部的風(fēng)扇，使冷空氣經(jīng)過熱交換墻體吸入機箱內(nèi)部，確保了優(yōu)良的散熱性能。通過在機箱殼體為整體特種導(dǎo)熱合金雕刻而成，極大地提高了該機箱的熱力學(xué)、機械學(xué)與電磁兼容性能。加固計算機內(nèi)部主要由CPU主、圖像處理板、通用接口板、存儲板、電源板等功能模塊組成，配置說明見表1.3。表1.3配置說明模塊配置說明CPU主板處理器：i7處理器4核，主頻不小于2.0GHz；內(nèi)存：不低于4GBDDR3；圖像處理板輸入分辨率：1080p30/60；通用接口板CAN總線接口2個，RS232串口4個；存儲板電子盤（SATA接口），存儲容量不低于1TB；電源板150W；1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析起降控制模塊應(yīng)用于特種車輛，車輛的隨機振動和沖擊是影響起降控制模塊結(jié)構(gòu)可靠性的重要因素，因此在設(shè)計過程中需要通過有限元對起降控制模塊艙體的振動模態(tài)和隨機響應(yīng)情況進行分析，以保證設(shè)計滿足起降控制模塊艙體在模態(tài)振型和隨機振動情況下的強度[35]。1.3.1沖擊載荷的有限元分析依據(jù)軍用地面裝備的40g沖擊加速度作為沖擊分析的輸入條件，分別進行了向上40g和向下40g的沖擊載荷有限元分析，起降控制模塊的應(yīng)力、應(yīng)變、變位移分布云圖分別1.7和圖1.8所示。應(yīng)力分布云圖應(yīng)變分布云圖變位移分布云圖圖1.7向上40g加速度沖擊載荷應(yīng)力分布云圖應(yīng)變分布云圖變位移分布云圖圖1.8向下40g加速度沖擊載荷從以上分析結(jié)果可以看出，在40g加速度沖擊載荷下，受到?jīng)_擊應(yīng)力最大的零件為上艙門和升降平臺。統(tǒng)計最大應(yīng)力、應(yīng)變和位移量如表1.4所示。表1.4應(yīng)力、應(yīng)變和位移量分析結(jié)果方向零部件應(yīng)力（MPa）應(yīng)變（mm/mm）位移量（mm）向下艙體8.59910.000132230.2493升降平臺21.4980.00039670.28046向上艙體1.3010.000112610.057883升降平臺23.8540.000337820.26047從表1.4中結(jié)果可知，在40g加速度沖擊載荷下，起降控制模塊艙體結(jié)構(gòu)變形量較小，對起降控制模塊整體性能不會造成影響。經(jīng)過查詢，7075鋁合金的屈服強度為σs=455MPa，安全系數(shù)為σ=σsn表1.4中上艙門和升降平，在40g加速度沖擊載荷下受到的最大應(yīng)力分別為1.301MPa和23.854MPa，遠遠小于鋁合金材料的屈服應(yīng)力。1.3.2振動模態(tài)分析通過ANSYS軟件分析可得起降控制模塊艙體的前七階模態(tài)，如圖1.9所示，起降控制模塊艙體的前七階固有頻率見表1.5。圖1.9起降控制模塊艙體的前七階固有頻率表1.5起降控制模塊艙體的前七階固有頻率列表模態(tài)階數(shù)一階二階三階四階五階六階七階固有頻率（Hz）1102.31102.63038.53039.33966.93968.94157.5從上述分析結(jié)果可以看出，起降控制模塊艙體最低自振頻率是1102.3Hz，該值與國軍標所要求的5Hz~500Hz掃描振動頻率沒有重合，由此可知在進行掃頻振動的時候起降控制模塊艙體不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象?；谄鸾悼刂颇K艙體在特殊環(huán)境下的可靠性要求，本文將5Hz~500Hz掃描振動頻率作為輸入，進行響應(yīng)譜分析，從而考察艙體結(jié)構(gòu)強度情況。響應(yīng)譜分析分別在X、Y、Z三個軸向加載振動頻譜。分析結(jié)果云圖如圖1.10所示。X軸向加載響應(yīng)譜的求解結(jié)果Y軸向加載響應(yīng)譜的求解結(jié)果Z軸向加載響應(yīng)譜的求解結(jié)果圖1.10三個軸向等效位移云圖和應(yīng)力云圖在起降控制模塊的三個軸向加載響應(yīng)譜加載5Hz~500Hz振譜后，進行分析求解，得出了響應(yīng)結(jié)果，從上述三個軸向的等效應(yīng)力云圖和位移云圖中可以直觀看出起降控制模塊應(yīng)力應(yīng)變的分布情況。并將其結(jié)果列表，如表1.6所示。表1.6起降控制模塊三軸向分析結(jié)果對比軸向應(yīng)力（MPa）變形量（mm）X1.84850.2877Y9.13390.3626Z6.13060.36304已知鋁合金的屈服應(yīng)力為303MPa，從表1.6中三個軸加載的響應(yīng)譜求解的結(jié)果可知，起降控制模塊所承受的應(yīng)力遠遠小于材料屈服應(yīng)力，且載荷條件下的變形量不會對起降控制模塊的結(jié)構(gòu)造成影響。1.4系統(tǒng)通信接口設(shè)計1.4.1網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)所謂拓撲結(jié)構(gòu)就是網(wǎng)絡(luò)的物理連接方式。局域網(wǎng)的常用拓撲結(jié)構(gòu)有星型、環(huán)型、線型[36]。星型拓撲結(jié)構(gòu)是用一個節(jié)點作為中心節(jié)點，其他節(jié)點直接與中心節(jié)點相連構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)；環(huán)型結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)中若干節(jié)點通過點到點的鏈路首尾相連形成一個閉合的環(huán)，這種結(jié)構(gòu)使公共傳輸電纜組成環(huán)型連接，數(shù)據(jù)在環(huán)路中沿著一個方向在各個節(jié)點間傳輸，信息從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點；總線結(jié)構(gòu)是指各工作站和服務(wù)器均掛在一條總線上，各工作站地位平等，無中心節(jié)點控制，公用總線上的信息多以基帶形式串行傳遞，其傳遞方向總是從發(fā)送信息的節(jié)點開始向兩端擴散，如同廣播電臺發(fā)射的信息一樣，各節(jié)點在接受信息時都進行地址檢查，看是否與自己的工作站地址相符，相符則接收網(wǎng)上的信息。三種類型拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點和缺點如表1.7所示。表1.7拓撲結(jié)構(gòu)對比表類型拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)點缺點星型控制簡單。故障診斷和隔離容易方便服務(wù)需要耗費大量的電纜中央節(jié)點負擔(dān)重，系統(tǒng)風(fēng)險高各站點的分布處理能力較低環(huán)型網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)也非常簡單，成本低傳輸速度較快維護困難擴展性能差線型安裝簡單，節(jié)點增減容易；信道的利用率高由于信道共享，連接的節(jié)點不宜過多，并且總線自身的故障可以導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。由于車輛網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用目的之一就是簡化線束，所以星型總線結(jié)構(gòu)不可能成為整車總線的結(jié)構(gòu)；而環(huán)型結(jié)構(gòu)總線當(dāng)節(jié)點過多時，將影響傳輸小路，不利于擴充，另外，某一個節(jié)點發(fā)生故障時，整個總線系統(tǒng)將不能正常工作，系統(tǒng)可靠性太差；車輛總線多采用線型拓撲結(jié)構(gòu)，特別適用于CAN總線系統(tǒng)上[37]，為解決總線自身的故障可以導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰，在本系統(tǒng)設(shè)計時采用雙CAN總線冗余設(shè)計。1.4.2CAN總線設(shè)計CAN(ControllerAreaNetwork)也即控制器局域網(wǎng)，是由德國著名汽車電子公司博世BOSCH于1986年提出的一種串行通信總線，其目的是為了解決汽車內(nèi)部日益增多的電子控制單元之間的相互通信。BOSCH公司提出CAN總線技術(shù)的初衷是用于汽車內(nèi)部眾多控制單元之間的相互通信，這就要求總線在非常惡劣的環(huán)境下仍能正常工作，根據(jù)國際標準組織的建議，CAN總線采用屏蔽或非屏蔽的雙絞線作為其通信介質(zhì)，為了提高系統(tǒng)抗干擾能力通常采用屏蔽雙絞線。CAN網(wǎng)絡(luò)中任意兩個通信節(jié)點之間的最大通信距離與信息傳輸速率的關(guān)系如表1.8所示。表1.8CAN總線最大通信距離與位速率關(guān)系位速率(kb/s)51020501001252505001000最大傳輸距離(m)1000067003300130062053027013040由表可以看出，傳輸速率為1Mb/s時最大傳輸距離為40m，50kb/s時也能達到最遠1300m，這已經(jīng)能夠滿足一般的實時控制。SAEJ1939是美國汽車工程協(xié)會（SAE）的推薦標準，用于為中重型道路車輛上電子部件間的通訊提供標準的體系結(jié)構(gòu)。其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是以CAN2.0B協(xié)議為基礎(chǔ)。如圖所示為SAEJ1939的分層結(jié)構(gòu)模型，如圖1.11所示。圖1.11SAEJ1939的分層結(jié)構(gòu)模型CAN總線網(wǎng)絡(luò)是由各個控制節(jié)點組成，節(jié)點是總線上報文接收和發(fā)送的站點，因此對各個節(jié)點的設(shè)計也是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計的核心部分；另外，為了驗證第四章中所制定的應(yīng)用層協(xié)議，必須采用能滿足CAN通訊的軟硬件構(gòu)建和模擬車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的信息傳輸進行測試驗證。本章將對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟硬件進行設(shè)計。為了降低硬件設(shè)計復(fù)雜度，本課題主要對網(wǎng)絡(luò)中低速節(jié)點的硬件進行設(shè)計，而對于高速節(jié)點的信號，采用軟件的方式來模擬實現(xiàn)。SAEJ1939是基于CAN2.0B協(xié)議的，CAN協(xié)議采用CSMA/CD以及逐位仲裁機制來避免消息沖突，若有多個節(jié)點同時向總線發(fā)送報文，總線根據(jù)每條報文的標識符按照“線與”機制對其進行仲裁，優(yōu)先級高的報文獲得總線控制權(quán)，繼續(xù)發(fā)送報文，而其他報文退出發(fā)送，進入“偵聽”狀態(tài)，等待總線處于空閑狀態(tài)時時繼續(xù)與其他節(jié)點參與仲裁。系統(tǒng)報文優(yōu)先級設(shè)：SAEJ1939協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層定義了一系列的規(guī)則來對控制信息進行封裝，使其符合BOSCH公司的CAN規(guī)范標準。它主要是通過PDU對CAN擴展幀的29位標識符進行了具體的重新分組定義。SAEJ1939協(xié)議利用PDU前3位來確定報文優(yōu)先級，優(yōu)先級最高為0，最低為7。對于實時控制類的報文需要設(shè)定較高的優(yōu)先級，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速，而對于表征狀態(tài)的報文，如發(fā)動機冷卻液溫度，應(yīng)當(dāng)選用低優(yōu)先級。需要注意的是，對于傳輸循環(huán)率較高的報文，應(yīng)稍微降低其優(yōu)先級，以避免其一直占有總線控制權(quán)。按照上面設(shè)定原則，本課題主要包含三種優(yōu)先級，對于控制類的信息選擇優(yōu)先級3，對于狀態(tài)顯示的信息選擇優(yōu)先級6或7。1.5系統(tǒng)軟件設(shè)計車載自動起降控制模塊系統(tǒng)軟件由基于視頻圖像處理的控制系統(tǒng)軟件、采集控制器軟件、電機驅(qū)動軟件、北斗/GPS模塊軟件、WIFI控制器軟件等5個軟件配置組成如圖1.12所示。車載自動起降控制模塊系統(tǒng)軟件車載自動起降控制模塊系統(tǒng)軟件基于視頻圖像處理的控制系統(tǒng)軟件采集控制器軟件電機驅(qū)動軟件北斗/GPS模塊軟件WIFI控制器軟件圖1.12車載自動起降控制模塊系統(tǒng)軟件組成其中基于視頻圖像處理的控制系統(tǒng)軟件、采集控制器軟件和電機驅(qū)動軟件為研制軟件。北斗/GPS模塊軟件和WIFI控制器軟件采用硬件自帶商用軟件，在應(yīng)用時僅對通信接口進行適配設(shè)置。基于視頻圖像處理的控制系統(tǒng)軟件為系統(tǒng)核心軟件運行于主控計算機中，主要用于對無人機目標進行識別的圖像處理、無人機定位以及無人機起降控制；采集控制器軟件運行于采集控制器中實現(xiàn)超聲波傳感器、多路接近開關(guān)信號采集通過CAN總線將采集信息發(fā)送至主控計算機；電機驅(qū)動軟件運行于電機驅(qū)動器中用于接收控制命令，完成對艙門的開啟和關(guān)閉進行控制以及對起降平臺的升降控制。各個軟件配置項的軟件運行環(huán)境、軟件開發(fā)環(huán)境及編程語言見表1.9。表1.9配置項軟件說明軟件名稱軟件功能軟件運行環(huán)境開發(fā)環(huán)境編程語言基于視頻圖像處理的控制系統(tǒng)軟件圖像處理分析，無人機起降控制，系統(tǒng)通信控制。CPU：Intel雙核處理器以上主頻：不低于1.6GHz內(nèi)存：≥2GB存儲：≥500GBVisualstudio2008C語言采集控制器軟件采集傳感器信號，接近開關(guān)信號。PIC32MX775F512H單片機主頻：16MHz內(nèi)部SRAM：64KB+512kByteFlashE2PROMMPLAB8.8C語言電機驅(qū)動軟件接收控制命令，控制電機。PIC18F4680單片機主頻：12MHz內(nèi)部SRAM：32KB+1024ByteFlashE2PROMMPLAB8.8C語言在選擇軟件平臺的時候需要考慮的因素有與處理器硬件之間的兼容性、編譯環(huán)境、視覺算法開發(fā)模式等。其中視覺算法開發(fā)模式的選擇是關(guān)鍵，一般來說可選擇的開發(fā)模式有以下兩種：自行開發(fā)和基于視覺工具開發(fā)。自行開發(fā)是從最底層按照自身需求對軟件模塊進行完