CN101797978B - 一种无人机刹车综合控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机刹车综合控制器，属于刹车综合控制领域，它包括机箱、固定于机箱内的母板，所述的母板上设有机内总线、结构完全相同的第一中央数据处理模块CPUA和第二中央数据处理模块CPUB、模拟量输入输出模块AIO、离散量输入输出模块DIO、电源模块PS。它解决了现有技术中存在的无法将前轮转弯控制和刹车控制集成在一个控制器内来实现同步控制的问题，主要用于采集、记录、处理机轮的各种传感器信号和输入的数字信号，实现飞机各种不同的转弯模式和刹车模式；监测与排除故障等。

Description

一种无人机刹车综合控制器

技术领域

本发明涉及一种刹车综合控制器，具体涉及一种无人机刹车综合控制器。

背景技术

在现有飞机机载设备中，前主轮系统和后主轮系统都属于起落架系统，但是控制前主轮的前轮转弯控制器和控制后主轮的刹车控制器一直独立发展，独立起着各自的控制作用，即出现刹车控制器已经进入数字式控制阶段，而前轮转弯控制器却还处于模拟式控制阶段，无法将前轮转弯控制和刹车控制集成在一个控制器内来实现同步控制，可靠性差，精度低，控制模式单一，难以满足飞机地面操纵系统发展的要求，因此，将前轮转弯控制器和刹车控制器综合起来的一体化数字式控制器成为刹车系统研究发展的新趋势。

发明内容

本发明目的在于提供一种无人机刹车综合控制器，解决现有技术中存在的无法将前轮转弯控制和刹车控制集成在一个控制器内来实现同步控制的问题。

本发明所采用的技术解决方案如下：

本发明提供的的无人机刹车综合控制器，包括机箱、固定于机箱内的母板，所述的母板上设有机内总线、结构完全相同的第一中央数据处理模块CPUA和第二中央数据处理模块CPUB、模拟量输入输出模块AIO、离散量输入输出模块DIO、电源模块PS，所述模拟量输入输出模块AIO、离散量输入输出模块DIO和电源模块PS通过机内总线分别与第一中央数据处理模块CPUA和第二中央数据处理模块CPUB连接，所述的第一中央数据处理模块CPUA与第二中央数据处理模块CPUB相连接。

上述的第一中央数据处理模块CPUA包括DSP处理器及外围电路、扩展存储器电路、控制逻辑电路，所述DSP处理器中设有0V～5V模拟量A/D(10位)转换电路，经过模拟量输入输出模块AIO和离散量输入输出模块DIO调理的信号分别通过机内总线传送给DSP处理器，由DSP处理器进行A/D转换和采集处理后传输至控制逻辑电路，进行控制率计算，得到输出值，再通过机内总线送给模拟量输入输出模块AIO和离散量输入输出模块DIO进行功率驱动和放大；扩展存储电路用于固化应用程序和临时变量；所述的外围电路包括分别连接于总线上的时钟电路、复位电路、看门狗电路，故障逻辑切换电路、机内总线接口电路，时钟电路与机内总线连接，用于为DSP处理器提供时间基准，复位电路与机内总线连接，为DSP处理器冷启动和热启动提供复位信号，第一中央数据处理模块CPUA通过故障逻辑电路与第二中央数据处理模块CPUB连接，进行故障分析、切换控制。

上述的模拟量输入输出模块AIO包括机内总线接口电路、逻辑控制电路、滤波放大电路、多路转换电路、D/A转换电路、驱动输出电路以及V/I转换电路，外部模拟量信号经过滤波放大电路滤波，输出至多路转换电路，之后通过机内总线传输至到DSP处理器内部的A/D转换器，DSP处理器的输出经过机内总线到模拟量输入输出模块AIO的D/A转换电路，输出相应的电压，然后一部分经过驱动输出电路输出，另一部分经过V/I转换电路输出；逻辑控制电路与机内总线相连，产生模拟量输入输出模块AIO工作所需的时序。

上述的离散量输入输出模块DIO包括机内总线接口电路、逻辑控制电路、输入光隔电路、驱动电路、频率采集电路、离散量输出电路，所述频率采集电路由依次串联的滤波整形电路和计数电路组成，所述离散量输出电路是由锁存电路分别串联功率驱动和电平转换电路构成，外部离散量信号依次通过输入光隔电路和驱动电路进行隔离、驱动，再经过机内总线送给DSP处理器。经频率采集电路处理的频率信号通过机内总线传输给DSP处理器，DSP处理器的输出经过机内总线送给锁存电路进行锁存，然后功率驱动、电平转换后输出；逻辑控制电路与机内总线相连，产生离散量输入输出模块DIO工作所需的时序；电源产生电路产生外部传感器工作所需的电源。

上述的电源模块PS包括滤波电路、耐过/欠压浪涌电路、DC/DC电路，外部供电信号经由滤波电路滤波，输出至耐过/欠压浪涌电路进行欠、过压处理和储能处理，之后传输至DC/DC模块进行信号转换，输出产品所需的工作电源。

上述的母板上设置有五个分别对应第一中央数据处理模块CPUA、第二中央数据处理模块CPUB、模拟量输入输出模块AIO、离散量输入输出模块DIO、电源模块PS模块的插槽区。

本发明的技术效果是：

1.由于对控制器的CPU进行了双余度设计，实现了将前轮转弯控制和刹车控制集成在一个控制器内来实现同步控制，精度高；

2.由于CPU内增设故障逻辑切换电路，可靠性增强；

3.控制功能集成化，满足飞机地面操纵系统发展的要求。

附图说明

下面结合附图对本发明无人机刹车综合控制器作进一步的说明，

图1为刹车综合控制器与飞机其他系统的交联关系图；

图2为刹车综合控制器系统结构图；

图3为刹车综合控制器外形结构图；

图4为中央数据处理模块CPU功能原理图；

图5为模拟量输入输出模块AIO组成原理图；

图6为离散量输入输出模块DIO组成原理图；

图7为电源模块PS的组成原理图；

图8为CPU双余度状态示意图；

图9为故障逻辑切换原理图；

图10为故障逻辑切换真值表；

图11为程序执行控制流程；

图12为刹车控制服务程序流程；

图13为前轮转弯控制服务程序流程。

具体实施方式

如图2和图3所示，本发明的无人机刹车综合控制器，包括机箱、固定于机箱内的母板，母板上设有五个插槽区，分别对应第一中央数据处理模块CPUA、第二中央数据处理模块CPUB、模拟量输入输出模块AIO、离散量输入输出模块DIO、电源模块PS，所述模拟量输入输出模块AIO、离散量输入输出模块DIO和电源模块PS通过机内总线分别与第一中央数据处理模块CPUA和第二中央数据处理模块CPUB连接，所述的第一中央数据处理模块CPUA与第二中央数据处理模块CPUB相连接。

工作时，电源模块PS首先为刹车综合控制系统提供电源，如图7所示，电源模块PS包括滤波电路、耐过/欠压浪涌电路、DC/DC电路，外部供电信号经由滤波电路滤波，输出至耐过/欠压浪涌电路进行欠、过压处理和储能处理，之后将信号传输至DC/DC模块进行信号转换，输出产品所需的工作电源。

外部模拟量信号与外部离散量信号分别输入至模拟量输入输出模块AIO和离散量输入输出模块DIO，进行外部信号的预处理，再通过机内总线传输给第一中央数据处理模块CPUA，输出的指令信号再通过机内总线传输给模拟量输入输出模块AIO和离散量输入输出模块DIO，完成模拟量和离散量的输出控制与驱动。

当处于正常上电情况下，CPUA和CPUB均正常工作，故障逻辑电路使CPUA控制机内总线，运行工作程序，实现控制器的功能；CPUB处于热备份状态，运行监控程序；当CPUA发生故障时，需要采集自身离散量输入口(ST)判断CPUB状态，如果CPUB工作正常，则故障逻辑电路能自动切断CPUA对机内总线的控制，使CPUB取得机内总线控制权，然后软件复位机器，运行正常工作程序；如果CPUB此时也发生故障，则CPUB不能获得机内总线控制权，仍有CPUA控制机内总线，CPUA运行安全模式程序，使系统处于安全状态模式；当CPUB取得总线控制，运行正常应用任务后，如果自身出现故障，则故障逻辑电路能自动切断CPUB对机内总线的控制，CPUA取得机内总线控制权，CPUA运行安全模式程序，使系统处于安全状态模式。

如图4所示，第一中央数据处理模块CPUA包括DSP处理器及外围电路、扩展存储器电路、控制逻辑电路，所述DSP处理器中设有0V～5V模拟量A/D(10位)转换电路，经过模拟量输入输出模块AIO和离散量输入输出模块DIO调理的信号分别通过机内总线传送给DSP处理器，由DSP处理器进行A/D转换和采集处理后传输至控制逻辑电路，进行控制率计算，得到输出值，再通过机内总线送给模拟量输入输出模块AIO和离散量输入输出模块DIO进行功率驱动和放大；扩展存储电路用于固化应用程序和临时变量；所述的外围电路包括分别连接于总线上的时钟电路、复位电路、看门狗电路，故障逻辑切换电路、机内总线接口电路，时钟电路与机内总线连接，用于为DSP处理器提供时间基准，复位电路与机内总线连接，为DSP处理器冷启动和热启动提供复位信号，第一中央数据处理模块CPUA通过故障逻辑电路与第二中央数据处理模块CPUB连接，进行故障分析、切换控制。

如图5所示，模拟量输入输出模块AIO包括机内总线接口电路、逻辑控制电路、滤波放大电路、多路转换电路、D/A转换电路、驱动输出电路以及V/I转换电路，外部模拟量信号经过滤波放大电路滤波，输出至多路转换电路，之后通过机内总线传输至到DSP处理器内部的A/D转换器，DSP处理器的输出经过机内总线到模拟量输入输出模块AIO的D/A转换电路，输出相应的电压，然后一部分经过驱动输出电路输出，另一部分经过V/I转换电路输出；逻辑控制电路与机内总线相连，产生模拟量输入输出模块AIO工作所需的时序。

如图6所示，离散量输入输出模块DIO包括机内总线接口电路、逻辑控制电路、输入光隔电路、驱动电路、频率采集电路、离散量输出电路，所述频率采集电路由依次串联的滤波整形电路和计数电路组成，所述离散量输出电路是由锁存电路分别串联功率驱动和电平转换电路构成，外部离散量信号依次通过输入光隔电路和驱动电路进行隔离、驱动，再经过机内总线送给DSP处理器，经频率采集电路处理的频率信号通过机内总线传输给DSP处理器，DSP处理器的输出经过机内总线送给锁存电路进行锁存，然后功率驱动、电平转换后输出；逻辑控制电路与机内总线相连，产生离散量输入输出模块DIO工作所需的时序；电源产生电路产生外部传感器工作所需的电源。

如图1所示刹车综合控制器与飞机其他系统的交联关系图。

刹车综合控制器是前轮转弯系统和刹车控制系统的核心部件，集成了前轮转弯和刹车控制功能，主要用于采集、记录、处理机轮的各种传感器信号和输入的数字信号，根据设置好的前轮转弯控制率和刹车控制率，控制液压电磁阀和压力伺服阀输出刹车压力，为飞机着路滑跑提供刹车制动，实现各种不同的转弯模式和刹车模式；当系统故障时，向监控计算机报警；当出现刹车系统防滑故障时，刹车系统可降级使用；当前轮转弯系统出现故障时，前轮转弯系统处于有阻尼的减摆状态；另外，能够将控制器和机轮的各种状态信息上报飞控系统和监控系统。刹车综合控制器的功能主要包括：

a.接受飞控系统输入的刹车指令信号，输出刹车电流控制电液压力伺服阀，实现系统的刹车控制。

b.接受轮速传感器输出的轮速信号，判断刹车防滑状态，并输出防滑电流控制电液压力伺服阀，实现系统刹车的防滑功能。

c.具有轮间交叉保护功能。

d.接受和判断主着陆架轮载信号，判断飞机状态。

e.“防滑刹车故障”时，刹车系统将降级使用，刹车综合控制器将切断防滑控制，并降低控制增益，保证刹车系统具有一定的刹车能力，又不至于发生轮胎抱死现像。

f.“刹车控制故障”时，刹车综合控制器将切断液压锁，刹车系统功能失效。

g.接受飞控系统“转弯接通”信号，系统进入“转弯控制”状态，同时控制器输出相应工作状态信号给飞控系统和监控计算机；不需要转弯时，飞控系统发出“断开”信号，前轮转弯系统处于减摆状态。

h.当前轮转弯偏离滑行方向时，反馈控制前轮回到设定方向。

i.当前轮转弯系统出现故障时，飞控系统发出“断开”信号，前轮转弯系统处于减摆状态，并向飞控系统和监控计算机发出相应工

作状态信号和故障信号。

工作原理

为了提高刹车系统的工作可靠性，刹车综合控制器采用双余度CPU系统结构。刹车综合控制器两个CPU模块的硬件和软件配置完全一致，两个CPU模块和两个接口模块都挂在机内总线上，在任意时刻，只有一个CPU模块控制机内总线，另一个CPU模块与机内总线断开，处于热备份状态，CPU模块对机内总线的切换通过故障逻辑电路来完成。每个CPU模块都设计一个机位识别离散量输入接口(ID)，一个故障告警离散量输出接口(SYSF)和一个故障告警离散量输入接口(ST)，在母板上设计两个状态相反的离散量，作为机位识别信号，此离散量分别对应两个CPU的机位离散量输入口(ID)。刹车综合控制器余度状态示意图如图8所示。当看门狗叫(GO/NOGO)或自测试错误(BIT)时，故障告警输出(SYSF)有效，设信号为“0”时有效，则有SYSF＝GO/NOGO&BIST。

上电时刻，故障逻辑切换电路根据每个CPU模块的ID、SYSF、ST的状态自动确定CPUA首先获得总线控制权，然后两个CPU各自运行自身BIT程序，当某个CPU的BIT结果有错误时，CPU就通过SYSF信号给另一个CPU发送故障信息，故障逻辑切换电路根据SYSF和ST信号状态的变化决定是否切换控制机内总线的CPU，获得机内总线控制权的CPU运行正常的工作程序，没有获得机内总线控制权的CPU运行监控程序。

在正常上电情况下，CPUA和CPUB均正常工作，故障逻辑电路使CPUA控制机内总线，运行工作程序，实现控制器的功能；CPUB处于热备份状态，运行监控程序。

当CPUA发生故障时，需要采集自身离散量输入口(ST)判断CPUB状态，如果CPUB工作正常，则故障逻辑电路能自动切断CPUA对机内总线的控制，使CPUB取得机内总线控制权，然后软件复位机器，运行正常工作程序；如果CPUB此时也发生故障，则CPUB不能获得机内总线控制权，仍有CPUA控制机内总线，CPUA运行安全模式程序，使系统处于安全状态模式。

当CPUB取得总线控制，运行正常应用任务后，如果自身出现故障，则故障逻辑电路能自动切断CPUB对机内总线的控制，CPUA取得机内总线控制权，CPUA运行安全模式程序，使系统处于安全状态模式。

刹车综合控制器的故障逻辑切换原理图如图9，其中每个CPU模块内都有可编程逻辑(CPLD)，机位识别信号ID，本CPU模块的故障告警信号SYSF和它CPU模块的故障告警信号ST作为CPLD的输入，经过译码输出的信号控制本CPU和机内总线的通断(即取得或释放总线控制权)。为了防止某个CPU出现故障后失去对离散量输出的控制而导致离散量状态处于未知状态，在电路设计中对SYSF、ST以及OUT均设计有上拉电阻，保证任意时刻，SYSF、ST以及OUT均处于确定状态。设SYSF和ST信号的正常状态为“1”，故障状态为“0”，A机ID输入为“1”，B机ID输入为“0”；当OUT输出为“0”时，取得总线控制权，OUT输出为“1”时，释放总线控制权。由上面的论述可以得出图10所示的故障逻辑切换真值表，经过化简可以得到CPLD得到输出逻辑是：

OUT＝(！ID&！SYSF)#(！ID&ST)#(！SYSF&ST)

将此逻辑写入每个CPU模块的CPLD，就可以通过其输出决定机内总线的控制权，而且能够保证在任意时刻，只有一个CPU控制机内总线，另一个CPU和机内总线断开。

软件设计

刹车综合控制器软件由地面支持软件和应用软件组成，编程语言采用标准C语言，地面支持软件驻留在PC机中，应用软件固化在刹车综合控制器的FLASH ROM中。

地面支持软件包括开发环境、固化支持软件。

软件开发环境选用针对DSP芯片的CCS2000软件集成开发环境，该工具包括代码生成和代码调试两部分，集编译、连接、加载、调试于一体；支持ANSI C和汇编的混合编程及逻辑仿真；应用程序可以动态从宿主机加载到目标机进行调试运行，通过比较程序校验和，能正确将修改的程序加载到目标机；调试工具具有运行、停止、断点、单步等功能。软件开发环境的硬件支持环境是基于PC系列(PC586以上档次机器均可)，PC机和目标机之间采用RS232串行接口进行通讯。

固化支持软件主要提供DSP板载FLASH ROM擦除、烧写功能。

刹车综合控制器的空中应用软件是嵌入式强实时控制软件，用于地面仿真和空中任务应用，空中应用软件在系统上电后自动运行，系统下电后，程序自动停止运行，程序执行的控制流程见图11。刹车控制服务程序流程见图12，前轮转弯控制服务程序流程见图13。

Claims (5)

1.一种无人机刹车综合控制器，包括机箱、固定于机箱内的母板，其特征在于：所述的母板上设有机内总线、结构完全相同的第一中央数据处理模块CPUA和第二中央数据处理模块CPUB、模拟量输入输出模块AIO、离散量输入输出模块DIO、电源模块PS，所述模拟量输入输出模块AIO、离散量输入输出模块DIO和电源模块PS通过机内总线分别与第一中央数据处理模块CPUA和第二中央数据处理模块CPUB连接，所述的第一中央数据处理模块CPUA与第二中央数据处理模块CPUB相连接；

所述的第一中央数据处理模块CPUA包括DSP处理器及外围电路、扩展存储器电路、控制逻辑电路，所述DSP处理器中设有0V～5V模拟量A/D（10位）转换电路，经过模拟量输入输出模块AIO和离散量输入输出模块DIO调理的信号分别通过机内总线传送给DSP处理器，由DSP处理器进行A/D转换和采集处理后传输至控制逻辑电路，进行控制率计算，得到输出值，再通过机内总线送给模拟量输入输出模块AIO和离散量输入输出模块DIO进行功率驱动和放大；扩展存储电路用于固化应用程序和临时变量；所述的外围电路包括分别连接于总线上的时钟电路、复位电路、看门狗电路，故障逻辑切换电路、机内总线接口电路，时钟电路与机内总线连接，用于为DSP处理器提供时间基准，复位电路与机内总线连接，为DSP处理器冷启动和热启动提供复位信号，第一中央数据处理模块CPUA通过故障逻辑电路与第二中央数据处理模块CPUB连接，进行故障分析、切换控制；

刹车综合控制器是前轮转弯系统和刹车控制系统的核心部件，集成了前轮转弯和刹车控制功能，主要用于采集、记录、处理机轮的各种传感器信号和输入的数字信号，根据设置好的前轮转弯控制率和刹车控制率，控制液压电磁阀和压力伺服阀输出刹车压力，为飞机着路滑跑提供刹车制动，实现各种不同的转弯模式和刹车模式；当系统故障时，向监控计算机报警；当出现刹车系统防滑故障时，刹车系统可降级使用；当前轮转弯系统出现故障时，前轮转弯系统处于有阻尼的减摆状态；另外，能够将控制器和机轮的各种状态信息上报飞控系统和监控系统；

a.接受飞控系统输入的刹车指令信号，输出刹车电流控制电液压力伺服阀，实现系统的刹车控制；

b.接受轮速传感器输出的轮速信号，判断刹车防滑状态，并输出防滑电流控制电液压力伺服阀，实现系统刹车的防滑功能；

c.具有轮间交叉保护功能；

d.接受和判断主着陆架轮载信号，判断飞机状态；

e.“防滑刹车故障”时，刹车系统将降级使用，刹车综合控制器将切断防滑控制，并降低控制增益，保证刹车系统具有一定的刹车能力，又不至于发生轮胎抱死现像；

f.“刹车控制故障”时，刹车综合控制器将切断液压锁，刹车系统功能失效；

g.接受飞控系统“转弯接通”信号，系统进入“转弯控制”状态，同时控制器输出相应工作状态信号给飞控系统和监控计算机；不需要转弯时，飞控系统发出“断开”信号，前轮转弯系统处于减摆状态；

h.当前轮转弯偏离滑行方向时，反馈控制前轮回到设定方向；

i.当前轮转弯系统出现故障时，飞控系统发出“断开”信号，前轮转弯系统处于减摆状态，并向飞控系统和监控计算机发出相应工作状态信号和故障信号。

2.根据权利要求1所述的无人机刹车综合控制器，其特征在于：所述的模拟量输入输出模块AIO包括机内总线接口电路、逻辑控制电路、滤波放大电路、多路转换电路、D/A转换电路、驱动输出电路以及V/I转换电路，外部模拟量信号经过滤波放大电路滤波，输出至多路转换电路，之后通过机内总线传输至到DSP处理器内部的A/D转换器，DSP处理器的输出经过机内总线到模拟量输入输出模块AIO的D/A转换电路，输出相应的电压，然后一部分经过驱动输出电路输出，另一部分经过V/I转换电路输出；逻辑控制电路与机内总线相连，产生模拟量输入输出模块AIO工作所需的时序。

3.根据权利要求2所述的无人机刹车综合控制器，其特征在于，所述的离散量输入输出模块DIO包括机内总线接口电路、逻辑控制电路、输入光隔电路、驱动电路、频率采集电路、离散量输出电路，所述频率采集电路由依次串联的滤波整形电路和计数电路组成，所述离散量输出电路是由锁存电路分别串联功率驱动和电平转换电路构成，外部离散量信号依次通过输入光隔电路和驱动电路进行隔离、驱动，再经过机内总线送给DSP处理器，经频率采集电路处理的频率信号通过机内总线传输给DSP处理器，DSP处理器的输出经过机内总线送给锁存电路进行锁存，然后功率驱动、电平转换后输出；逻辑控制电路与机内总线相连，产生离散量输入输出模块DIO工作所需的时序；电源产生电路产生外部传感器工作所需的电源。

4.根据权利要求3所述的无人机刹车综合控制器，其特征在于，所述的电源模块PS包括滤波电路、耐过/欠压浪涌电路、DC/DC电路，外部供电信号经由滤波电路滤波，输出至耐过/欠压浪涌电路进行欠、过压处理和储能处理，之后传输至DC/DC模块进行信号转换，输出产品所需的工作电源。

5.根据权利要求4所述的无人机刹车综合控制器，其特征在于，所述的母板上设置有五个分别对应第一中央数据处理模块CPUA、第二中央数据处理模块CPUB、模拟量输入输出模块AIO、离散量输入输出模块DIO、电源模块PS模块的插槽区。

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