CN102955456A - 一种基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，包括CAN总线网络作为通讯基础的并遵守统一的通讯协议的数传电台、总线传感器、飞控电脑、电源系统、舵机、任务设备和数据记录仪，所述的数传电台、总线传感器、飞控电脑、电源系统、舵机、任务设备和数据记录仪分别连接于CAN总线网络的接口，并与所述的CAN总线网络进行双向通讯，本系统具有实时性好、稳定性高、速率快、扩充接点容易、相对成本低廉的特点。

Description

一种基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统

技术领域：

本发明涉及一种小型无人飞行器，，尤其是其控制系统的技术领域。

背景技术：

无人驾驶飞机是一种以无线电遥控或由自身程序控制为主的不载人飞行器，与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、对环境要求低的优点，广泛应用于军事，电力，测绘，森林防虫防火，勘探，监控及相关科研系统。

传统的小型无人机系统通常由遥控接收机34，飞控电脑39，舵机35、36、37，数传电台33，传感器38，和电池系统40组成，通常采用无线遥控航模的构架，即所有的外设都是连接在飞控电脑39上的，整个系统以飞控电脑39为中心，如附图1所示，这种系统有以下不足：

1、系统不易扩充，传统的无人机系统在设计完成后，基本上无法扩充；

2、接口不统一，接口种类较多，航模插接件可靠性难以保证；

3、系统中的设备除了数传电台其他设备都是单向传输信号，无法实时的反映系统中各个设备的状态；

4、缺乏系统的设计思想，系统中通常有多个无线传输系统，相互可能产生干扰；

5、单主机系统，所有的信息处理依赖于飞控电脑，主机处理压力大；

6、系统很难实现设备的冗余备份，设备出现故障，无法隔离。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是是克服上述现有技术之不足，提供一种基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，由于采用总线设备的系统的构架，在系统中实现了共享型冗余和排他型冗余技术，具有实时性好、稳定性高、速率快、扩充接点容易、相对成本低廉的特点。

其中：

共享型冗余是指总线系统中可以同时工作，同时广播数据，同时执行任务的同一类型设备，例如系统中可以有多个总线GPS设备，每一个GPS设备都可以向总线上广播所收到的数据，具体这些数据如何使用是数据消费者所关心的问题，舵机也是一种共享型的冗余设备，多个总线舵机可以消费同一个位置命令，执行相同的动作序列，共享型冗余设备的数据消费方式由组态管理系统定义。

排他型冗余是指总线系统中同一时刻某一类型的设备只能有一个设备在工作，其他备份的设备只能等更高优先级的设备让出数据生产权后才能依次向总线上发送数据；例如飞控电脑就是排他型总线设备，组态管理系统定义了设备的地址(ID)，也就决定了设备的优先权力，只有优先级最高的飞控电脑设备能向总线上发送控制指令，只有在最高优先级飞控电脑失效的情况下，次高优先权的飞控电脑才会自动替补该设备的工作。

按照本发明提供的一种包括以CAN总线网络作为通讯基础的并遵守统一的通讯协议的总线设备，所述的总线设备包括数传电台、总线传感器、飞控电脑、电源系统、舵机、任务设备和数据记录仪，所述的总线设备分别连接于CAN总线网络的接口，并与所述的CAN总线网络进行双向通讯，其中，CAN总线协议本身是短数据帧结构，具有非破坏性仲裁和错误纠正机制，该系统所有的设备都使用总线连接进行信息交换，在本系统中，飞控电脑通过CAN总线读取到总线传感器的各种飞行参数，通过自身的程序控制驱动舵机及任务设备执行相关的动作，控制飞行器的姿态、飞行方向和速度，拍照或摄像，并将相关的信息通过CAN总线发送到地面站，同时也通过CAN总线接收来自地面站传来的控制指令；所有CAN总线上传输的数据都被记录的总线记录仪中，作为将来的飞行日志和事后分析材料，总线电源管理系统则负责向总线上的其他设备提供能源，并发送当前电源的各种相关信息。该系统中所使用的设备都是以CAN总线通讯为基础设计的，设备之间通过总线系统连接，接口和通讯协议统一。

根据本发明提供的用基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，还具有如下附属技术特征：

所述的CAN总线网络包括有四根传输电缆，所述的四根传输电缆分别是电源正极VCC，电源负极GND，信号线CAN-H，信号线CAN-L，其中CAN-H和CAN-L是差分信号传输，有很强的抗干扰能力，传统舵机只有三根线是分别是电源负极GND，电源正极VCC，信号线SIGNAL，抗干扰能力差。

所述的CAN总线网络具有多个设备连接接口，每一个接口都是对等的，所有接口是没有区分的，不分顺序，可随意插接、相互替换，CAN设备可以连接在任意接口上。

还包括设备组态管理系统，所述的设备组态管理系统与所述的CAN总线网络的接口连接，并与所述的CAN总线网络进行双向通讯。设备组态管理系统是一个用于绑定各个总线设备消费关系的地面管理系统，是初始化总线设备的必要手段。组态管理系统的工作是对总线设备进行ID分配、工作速率定义、设备参数的初始化工作，定义各个总线设备之间的生产者数据和消费者数据的映射关系，设置的结果保存在各个总线设备的子系统中，不同的绑定方法，决定不同系统工作的工作方式，因此通过组态管理系统可以灵活的将一组相同的物理总线设备定义成不同逻辑功能的系统，每个特定的逻辑系统只需要用组态管理系统初始化一次。

还包括地面站管理系统，所述的地面站管理系统与所述的CAN总线网络的接口连接，并与所述的CAN总线网络进行双向通讯。地面站管理系统用来规划飞行任务和飞行轨迹并监控飞行器工作状态，通过地面站管理系统制定飞行计划，并将计划生成的飞行轨迹数据和任务数据通过地面的总线网络由地面的数传电台(桥接)发送到机载的总线网络上，可以由飞控电脑保存并执行这些轨迹和任务，由于整个系统是基于总线网络设计的，因此舵机和任务设备可以直接通过总线控制，特殊情况下也可由地面站管理完全取代飞控电脑的功能，由地面站管理系统根据机载的传感器数据计算姿态并直接发送飞行控制指令给舵机和任务设备，这是传统的控制系统无法实现的；同时，地面站管理系统通过总线网络读取机载设备的各种信息，并通过用户界面显示并记录下来。简单的说，地面站管理系统是飞控电脑的数据生产者，同时又是整个系统中总线设备的数据消费者

所述的数传电台为两个，其中一个数传电台为备用；数传电台是一个总线网桥设备，是完成实现空中和地面总线网络桥接工作，传统的小型无人机系统中只有飞控电脑才能和数传电台通讯，在基于总线的小型无人机控制系统中，所有的总线设备都可以通过数传电台和网络中的其他设备交换信息，无论这些设备在空中还是在地面。

所述的飞控电脑为两个或者多个，其中一个飞控电脑处于工作状态，其他飞控电脑作为排他型冗余备份。通过读取总线上的传感器数据，结合地面站的指令或者自身的程序控制，计算飞行器的姿态，方向，速度，任务等控制数据并发送到总线上供总线舵机和总线任务系统消费，根据优先级和功能不同，在一个冗余系统的飞行器中可以有多个总线飞控电脑。

所述的总线传感器包括基于CAN总线网络的多个传感器，所述的传感器包括GPS传感器、温度传感器、转速传感器、气压传感器和由磁罗盘、陀螺仪、加速度传感器组合而成的基于总线通讯的AHRS惯性测量单元。这些传感器通过自身的微处理器将采集的传感器数据转换成标准的总线协议，广播到总线网络中，总线传感器是这些数据的生产者。

所述的采集GPS数据的GPS传感器为一个或多个，传感器是共享型冗余设备，同一类型的传感器可以有多个冗余备份。

所述的每组舵机的数量可以是一至多个，舵机是共享型冗余设备，正常工作时，所有的舵机都执行相同的命令序列，只有当某个舵机出现故障时故障舵机才被总线隔离成从动设备，舵机是使用总线协议控制的舵机系统，舵机除了能消费飞控电脑或者地面站生产的控制数据外，还能将舵机自身的位置、温度、工作电流、工作电压、扭矩等信息实时的上传到总线网络，可以通过组态管理系统设置舵机正反舵、速度比例、角度比例、左右极点、中立点、堵转保护电流、最大输出扭矩等属性信息。

所述的电源系统为两个，电源系统是负责向整个飞行器提供电源供应和电源路径管理，支持多电池共享备份，实时监控各个电池的电压，电流温度等信息，并将这些数据发送到总线网络，供其他设备消费。

所述的数据记录仪包括内置电池和实时钟，还包括无线电信标装置；数据记录仪是将总线上所有传递的数据记录到内置的非易失性存储器中，自身具有后备电池，提供无线电信标的功能，数据记录仪实现了“黑匣子”的功能，可用于数据回放、事故分析和飞行器定位的功能。

所述的任务设备包括总线云台，总线摄像机和总线照相机，总线开伞设备。这些设备都是和具体的无人器系统相关，它们生产和自身属性相关的数据并广播到总线上，并消费来自飞控电脑和地面站管理系统的控制数据，可以根据任务的需要扩充任务设备。

按照本发明提供的基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统和方法其上的一组总线设备通过组态管理系统确定其设备地址(ID)和设备的优先关系，绑定数据映射，建立了总线设备之间的层次和数据生产者和消费者关系，定义其特定功能组成的无人飞行器控制系统，该系统通过地面站管理系统规划航迹和任务，执行特定轨迹的飞行和任务并反馈相关的信息，本系统具如下技术效果：

1、设备之间靠总线网络连接，总线网络是纯数字通讯，具有很强的抗干扰能力；

2、多主机系统，总线上的每一个设备都是智能设备，内置微处理器，可对数据预加工；

3、所有的总线设备都具备双向通讯的能力，总线上的设备既能生产数据，又能消费其他设备产生的数据；

4、总线设备可以在逻辑和物理上实现冗余，可以实现多个同类型设备的冗余备份；

5、接口统一，容易扩展，系统伸缩性好，新的总线设备很容易扩充到总线网络中来；

6、通讯数据是生产者消费者模型，支持同一类型数据有多个生产者和多个消费者；

7、可自动隔离出现故障的设备。

附图说明：

图1：传统小型无人机系统构架；

图2：按本发明提供的一种基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统的系统构架图；

图3：与图3中相配合的地面总线网络构架图；

图4：基于单物理总线的小型无人飞行器实施构架图。

具体实施方式：

如图2、3所示，按本明提供的一种基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统中的总线设备包括数传电台25、总线传感器26、飞控电脑27、电源系统28、舵机29、任务设备30和数据记录仪31，相应地，地面站包括了数传电台41、扩展接口42、地面站管理系统43和组态管理系统44，其中，所有的总线设备以CAN总线网络111作为通讯基础的并遵守统一的通讯协议，CAN总线网络具有多个设备接口，总线设备分别连接于CAN总线网络111的接口，并与所述的CAN总线网络111进行双向通讯，其中CAN总线网络111包括有四根传输电缆，所述的四根传输电缆分别是电源正极VCC，电源负极GND，信号线CAN-H，信号线CAN-L(图中未示出)，组态管理系统44和地面站管理系统43与CAN总线网络111的接口连接，并与CAN总线网络111进行双向通讯。

如图4所示，该系统包括两个数传电台1、2，两个飞控电脑3、4，七个总线传感器5、6、7、8、9、10、11，八个总线舵机13、14、15、16、17、18、19、20，一个任务设备12，总线数据记录仪23，扩展接口24以及连接这些设备的总线网络电缆，还包括电源系统，电源系统包括两个电池21、22，

其中：

数传电台1、2，是排他型冗余设备，即正常情况只有数传电台1在工作，数传电台2处于静默状态，仅当电台1失效，电台2才自动替补电台1的工作。

飞控电脑3、4，是以排他型冗余的方式存在的，正常情况下只有飞控电脑3会向总线上广播舵机和任务系统的控制指令，仅当飞控电脑3失效，飞控电脑4才会替补飞控电脑3的工作。

GPS传感器5、6，它们是共享型冗余设备，传感器5和6各自独立的工作，并同时将各自采集的GPS数据广播到总线上，作为GPS数据的消费者的飞控电脑3和4以及地面站管理系统，可以优先使用总线GPS传感器5的数据，或者同时使用传感器5、6的数据做集合运算，以达到更高的精度。

三轴AHRS惯性测量单元7、8，内置了XYZ三个轴的加速度传感器和XYZ三个轴的陀螺传感器，还集成了三个轴的磁罗盘，组成了9自由度的测量单元，它们是共享型冗余设备，各自独立的工作，实时采集飞行器的XYZ三轴加速度和XYZ三轴滚转信息，和GPS总线传感器5、6一样，三轴AHRS惯性测量单元7、8产生的数据的使用方式由它们的消费者决定。

空速传感器9、气压传感器10及温度传感器11，总线上任何对它们数据感兴趣的设备都可能成为它们的消费者。

任务设备12，它由飞控电脑3、4或者直接由地面站管理系统控制工作，这些设备也根据需要配置成共享型冗余设备。

舵机分为四组，分别是舵机13、14，舵机15、16，舵机17、18，舵机19、20，其是共享型冗余设备，每一组共享型设备消费同一个控制指令，它们的分组和消费映射是由组态管理系统决定。总线舵机是一种双向通讯的设备，它不仅能接受来自总线的控制指令，还能实时的向总线反馈它自身的状态，利用这个特性，总线上的共享型冗余舵机可以完成相互自检，相互备份的功能，当某个舵机出现故障时，系统可自动隔离该舵机，该舵机以随动方式运行，提高整个系统的安全性。

电源系统包括电池21、22，在这个系统中，是采用双电源管理器的共享型冗余配置，电池21、22同时工作，可同时向系统提供电源，或者按照组态管理系统的设定依次提供电源，并同时向总线网络广播自身的工作状态，包括当前电压、电流、剩余容量、温度等信息，电池21、22中任意一个设备失效，另外一个设备都会承担它们的工作。

数据记录仪23，是总线上所有其他设备的数据消费者，即总线数据记录仪消费所有的数据，并把这些数据实时的记录在内部的非易失存储器中，除此之外，总线数据记录仪内置电池和实时钟，还包括有无线电信标装置，一旦飞行器发生故障，总线数据记录仪可以向外广播飞行器的坐标，便于地面工作人员查找定位。

扩展接口24，可满足将来系统扩充的需求，同时也可作为诊断和测试使用的接口。

任务设备包括总线云台、总线摄像机和总线照相机、总线开伞设备，图中未示出，可根据具体需求安装于小型飞行器机身上。

上述实施例只为说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关领域的普通技术人员，在此基础上，还可以做出多种变更和改进方案，而不脱离本发明的精神和保护范围。本权利要求书中，希望已经包含了符合本发明实质和范围的所有这些变更和改进方案。

Claims (14)

1.一种基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，其特征在于：以CAN总线网络作为信息通讯的基础，使用基于统一的总线通讯协议的总线设备，所述的总线设备包括数传电台、总线传感器、飞控电脑、电源系统、舵机、任务设备和数据记录仪，所述的总线设备分别连接于CAN总线网络的接口，并与所述的CAN总线网络进行双向通讯，所述的总线设备分别以共享型冗余或排他型冗余工作。

2.根据权利要求1所述的基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，其特征在于：所述的CAN总线网络包括有四根传输电缆，所述的四根传输电缆分别是电源正极VCC，电源负极GND，信号线CAN-H，信号线CAN-L，所有的总线设备使用相同标准的接口相互连接。

3.根据权利要求1所述的基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，其特征在于：所述的CAN总线网络具有多个设备接口。

4.根据权利要求1所述的基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，其特征在于：还包括设备组态管理系统，所述的设备组态管理系统与所述的CAN总线网络的接口连接，并与所述的CAN总线网络进行双向通讯，所述的设备组态管理系统用于绑定各个总线设备消费关系，还用于对总线设备进行地址分配、工作速率定义、总线设备参数的初始化、定义各个总线设备之间的生产者数据和消费者数据的映射关系。

5.根据权利要求1所述的基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，其特征在于：还包括地面站管理系统，所述的地面站管理系统与所述的CAN总线网络的接口连接，并与所述的CAN总线网络进行双向通讯，所述的地面站管理系统是所述飞控电脑的数据生产者，也是所述总线设备的数据消费者，用于制定小型无人飞行器的飞行计划，并将计划生成的飞行轨迹数据和任务数据通过地面的CAN总线网络由地面的数传电台发送到机载的CAN总线网络上，由所述的飞控电脑保存并执行所述的轨迹和任务。

6.根据权利要求1所述的基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，其特征在于：所述的总线设备是分别具有计算能力和通讯能力的智能设备，可以完成设备之间数据生产者和消费者关系的映射。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，其特征在于：所述的数传电台为有两个，其中一个数传电台为备用，采用的是排他型冗余设备，实现空中总线网络和地面总线网络桥接工作。

8.根据权利要求1-6任意一项所述的基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，其特征在于：所述的飞控电脑用于采集来自总线的传感器数据，并根据地面站管理系统的指令或者自身程序控制来实时地计算飞行器的姿态、方向和速度，向总线上广播舵机和任务系统的控制指令；所述的飞控电脑为两个，以排他型冗余的方式工作。

9.根据权利要求1-6任意一项所述的基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，其特征在于：所述的总线传感器包括基于CAN总线网络的多个传感器，所述的传感器包括GPS传感器、温度传感器、转速传感器、气压传感器和由磁罗盘、陀螺仪、加速度传感器组合而成的基于总线通讯的AHRS惯性测量单元。

10.根据权利要求9所述的基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，其特征在于：所述的采集GPS数据的CAN总线GPS传感器为一个或多个，当GPS传感器为多个时，以共享型冗余方式工作，所述的GPS传感器可以各自独立地工作，并同时将各自采集的GPS数据广播到CAN总线上，GPS数据的消费者可以优先使用总线其中一个GPS传感器的数据，也可以同时使用所述两个GPS传感器的数据做集合运算。

11.根据权利要求1-6任意一项所述的基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，其特征在于：所述的舵机为一个或多个，当所述的舵机为多个时，可以分为多组，以共享型冗余方式工作，所述的舵机由总线直接控制；所述的舵机是一种双向通讯的设备，它不仅能接受来自CAN总线的控制指令，还能实时的向CAN总线反馈它自身的状态；所述的舵机可以完成相互自检、相互备份，当某个舵机出现故障时，系统可自动隔离该舵机，该舵机以随动方式运行，提高整个系统的安全性。

12.根据权利要求1-6任意一项所述的基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，其特征在于：所述的电源系统为两个，所述的两个电源系统以共享型冗余方式工作。

13.根据权利要求1-6任意一项所述的基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，其特征在于：所述的总线数据记录仪将CAN总线上所有传递的数据记录到内置的非易失性存储器中，同时提供无线电信标的功能，可用于数据回放，事故分析和飞行器定位，所述的总线数据记录仪本身具有后备电池。

14.根据权利要求1-6任意一项所述的基于总线通讯的小型无人飞行器控制系统，其特征在于：所述的任务设备包括总线云台，总线摄像机和总线照相机，总线开伞设备，所述的任务设备由所述的飞控电脑或者直接由地面站管理系统控制工作，所述的任务设备可以根据需要配置成共享型冗余设备。

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