CN104122896B - 一种基于ttp/c总线的无人飞行器飞行控制系统体系架构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于飞行控制领域，实现了一种无人飞行器的基于TTP/C（时间触发协议）总线的三余度飞行控制系统（以下简称飞控系统）架构的配置方案，该架构以高性能数字式三余度飞行控制计算机（FMC）的为核心控制模块，利用基于时间触发的TTP/C总线组成外部总线，满足了无人飞行器对飞控系统的苛刻要求。该体系架构有利于无人飞行器飞控系统向高可靠、强实时和开放式的方向发展，具有广阔的应用空间。

Description

一种基于TTP/C总线的无人飞行器飞行控制系统体系架构
技术领域
本发明属于飞行控制领域，涉及到飞控系统专业。适用于大气层内的航空飞行器以及空间、临近空间飞行器等与飞行控制相关的各类控制系统。
背景技术
飞控系统是整个飞行器的重要组成，用于感受机体运动，结合自动或来自人工的期望值，解算并输出控制指令，控制飞行器的气动舵面以及其他的交联设备，实现按照预期控制飞行器的目的。飞控系统是飞行器的“大脑”和“手脚”，同时也是保证飞行安全、实现任务目的的关键。
随着航空航天技术的不断发展，应用邻域的不断拓宽，特别是尖端控制邻域其对飞控系统的要求越来越高，高可靠性、强实时性、开放性和模块化是未来飞控系统发展的必然趋势，而作为飞控系统的核心，具有高可靠、强实时、开放式和模块化的飞控系统体系架构，是实现上述发展趋势的关键所在。
从各军事大国的无人机技术发展可以看出，无人机呈现出明显的向多任务、长航时、高机动、高动态的特点，以逐步开始取代部分有人飞行器的任务和功能，这些发展特点都对无人机飞控系统的综合性能提出了严峻的要求，而传统的无人机的飞控系统，受限于其应用背景，往往不可避免的存在功能单一、实时性低、结构繁杂、可靠性差等缺点，一般也不具备开放性和模块化。
发明内容：
本发明的目的：针对传统的无人机飞控系统可靠性、实时性和开放性的不足，提出一种基于TTP/C总线的无人飞行器飞行控制系统体系架构。
本发明的技术方案：一种基于TTP/C总线的无人飞行器飞行控制系统体系架构，包括飞控计算机、TTP/C总线和外部节点，其中：所述的飞控计算机包括三个独立的、分布式的飞控计算余度，每个余度包含一套完整的CPU板、串口板、总线接口单元及电源模块，每个余度内部采用本地659总线作为板卡间的数据总线；三个余度之间采用桥接659总线，三个余度的CPU之间通过独立的CCDL模块进行数据传输，每个余度都通过各自的主TTP/C总线与其外部节点相连，同时每个余度还作为节点与其他两个余度的主TTP/C总线相连。
所述的CCDL模块若故障，余度之间的桥接659总线同时兼作为CCDL模块备份，发送CPU之间的CCDL数据。
所述的TTP/C总线的数据包括外部节点发往主余度CPU的数据信息、以及主余度CPU发往外部节点的数据信息，另外两个余度的CPU可以监听该主余度CPU与外部节点的数据通信。
所述的外部节点包括飞控系统内部的三套非相似余度的卫星/惯性组合器件，两余度的大气数据系统、两余度高度表、两个电气双余度的舵机控制器ACE、以及飞控系统外部的交联系统。
本发明的优点：
1、高可靠性
本系统体系包括三余度的飞控计算机、四余度的本地659背板总线、四余度的桥接659背板总线、三套两余度的TTP/C总线、以及多余度的卫星/惯性组成传感器(GPS/INS)、大气数据系统(ADS)、高度表(RA)及舵机控制器(ACE)，整个系统具有很高的可靠性，能保证任意节点一次故障工作，两次故障安全；
2、强实时性
TTP/C总线为基于时间触发的串行数据总线，根据总线协议，按照数据帧格式规划数据，配置5兆的总线带宽，典型的飞控应用数据周期可以在1毫秒一下，结合高带宽64兆的本地659总线，系统延迟可以控制在15毫秒以内，优于传统的无人机飞控系统；
3、开放式
基于TTP/C总线的系统架构，新加入的节点可以直接挂接在总线，通过修改总线接口单元的预置参数，就可以非常方便的按照不同的应用需求配置飞行器的飞控系统，通过灵活挂接不同的模块、节点，可以基于这套体系架构，组成出各种系统配置；
附图说明：
图1基于TTP/C总线的飞控系统架构示意图；
图2基于TTP/C总线的飞控计算机架构示意图；
具体实施方式：
基于TTP/C总线的无人飞行器飞行控制系统体系架构，包括飞控计算机、TTP/C总线和外部节点，其中：所述的飞控计算机包括三个独立的、分布式的飞控计算余度，每个余度包含一套完整的CPU板、串口板、总线接口单元及电源模块，每个余度内部采用本地659总线作为板卡间的数据总线；三个余度之间采用桥接659总线，三个余度的CPU之间通过独立的CCDL模块进行数据传输，每个余度都通过各自的主TTP/C总线与其外部节点相连，同时每个余度还作为节点与其他两个余度的主TTP/C总线相连。
以下以一个具体实施例对本发明作进一步详细说明。
三个余度之间包括桥接659总线和独立CCDL模块，其中桥接659总线实现了余度之间的板卡高速高带宽数据通讯；CCDL模块实现了三个CPU之间的数据高速共享；另外，若CCDL模块故障，余度之间的桥接659总线同时可以兼作为CCDL模块备份，发送CPU之间的CCDL数据。
每一套余度作为收发节点与其中一路外部TTP/C总线接口相连，同时该余度作为监听节点(不向总线上发送数据)分别与其余两路外部TTP/C总线相连，即：CPU_A作为收发节点挂在BUS_A总线上，同时作为监听节点分别挂在BUS_B、BUS_C上；CPU_B作为收发节点挂在BUS_B总线上，同时作为监听节点分别挂在BUS_A、BUS_C上；CPU_C作为收发节点挂在BUS_C总线上，同时作为监听节点分别挂在BUS_A、BUS_B上。
如图1所示，卫星/惯性传感器#1(GPS/INS#1)敏感到机体运动的数据(如角速率信号)，在预定的时刻，将数据通过BUS_A总线广播发送，三个余度的CPU，即CPU_A、CPU_B和CPU_C同时收到该节点广播的数据；某一时刻，CPU_A可以在分别接收到来自TTP/C总线的GPS/INS#1、GPS/INS#2和GPS/INS#3的数据；另外，由于每个传感器节点同时具有独立的串口与飞控计算机相连，如图1所示，GPS/INS#1，该串口数据通过桥接659总线和本地659总线，分别到达三个余度的FMC的串口板(SIO)；来自三个余度的总线板的数据和串口板的数据经过桥接659交换数据以后，任意一个余度可以得到如下数据，以CPU_A接收到的GPS/INS#1数据为例：
1.来自BUS_A(本余度)的TTP/C总线的GPS/INS#1数据；
2.来自BUS_B(X余度)的TTP/C总线的GPS/INS#1数据；
3.来自BUS_C(Y余度)的TTP/C总线的GPS/INS#1数据；
4.来自BUS_B(X余度)的通过桥接659的TTP/C总线的GPS/INS#1数据；
5.来自BUS_C(Y余度)的通过桥接659的TTP/C总线的GPS/INS#1数据；
6.来自本余度串口板的总线的GPS/INS#1数据；
7.来自X余度总线的通过桥接659的串口的GPS/INS#1数据；
8.来自Y余度总线的通过桥接659的串口的GPS/INS#1数据；
可以看到，本发明提出的架构，用较小的配置开销，明显提高了数据的冗余，任意节点或环节一次故障都不影响数据的接收。
对于其中一个余度CPU而言，以CPU_A为例，在一个计算周期内(如20毫秒)，可以将采集到的数据进行多个余度的表决监控，输入给控制律，经过解算，得到舵面的控制指令；三个余度的CPU通过CCDL交换数据，综合得到一个统一的输出控制指令，等到本节点(如CPU_A)在TTP/C总线(如BUS_A)上的时间窗口到来时，将数据通过(如BUS_A)总线广播。
舵机控制器(ACE)收到三个余度CPU的、分别来自三条TTP/C总线的舵机控制指令后，综合计算得到最后的舵机偏度指令和其他控制指令，驱动相应作动器。同时ACE将自身的状态信息组包同样利用三路TTP/C总线网络反馈给三个余度的CPU。
至此，利用本发明提出的飞控体系架构完成了一轮控制周期的数据流交换。

Claims (4)

1.一种基于TTP/C总线的无人飞行器飞行控制系统体系架构，其特征是，本架构包括飞控计算机、TTP/C总线和外部节点，其中：所述的飞控计算机包括三个独立的、分布式的飞控计算余度，每个余度包含CPU板、串口板、总线接口单元及电源模块，每个余度内部采用本地659总线作为板卡间的数据总线；三个余度之间采用桥接659总线作为余度之间的数据总线；三个CPU板之间通过独立的CCDL模块进行数据传输；每个余度的总线接口单元通过各自的主TTP/C总线与其外部节点相连，同时每个余度的总线接口单元还作为节点与其他两个余度的主TTP/C总线相连。
2.如权利要求1所述的一种基于TTP/C总线的无人飞行器飞行控制系统体系架构，其特征是，所述的CCDL模块若故障，余度之间的桥接659总线同时兼作为CCDL模块备份，发送CPU之间的CCDL数据。
3.如权利要求1所述的一种基于TTP/C总线的无人飞行器飞行控制系统体系架构，其特征是，所述的TTP/C总线的数据包括外部节点发往主余度CPU的数据信息、以及主余度CPU发往外部节点的数据信息，另外两个余度的CPU可以监听该主余度CPU与外部节点的数据通信。
4.如权利要求1-3之一所述的一种基于TTP/C总线的无人飞行器飞行控制系统体系架构，其特征是，所述的外部节点包括飞控系统内部的卫星/惯性组合器件GPS/INS，大气数据系统ADS、高度表RA以及舵机控制器ACE。
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