CN104281154A - 一种可控功耗的无人机飞行控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控功耗的无人机飞行控制系统，包括系统模块，所述的系统模块的启动控制端连接硬件驱动模块的控制接收端，硬件驱动模块的驱动端连接驱动器模块的信号接收端，驱动器模块的控制端分别连接姿态解算模块、姿态稳定模块的启动端，姿态解算模块、姿态稳定模块的信号输入端均连接传感器模块的采集信号输出端，姿态解算模块、姿态稳定模块的信号输出端均连接控制器模块的信号输入端，控制器模块的信号输出端连接航点模块、制导模块的信号输入端，控制器模块的信号输出端还连接载荷模块，所述的电源模块为整个系统供电。

Description

一种可控功耗的无人机飞行控制系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机飞行控制技术领域，尤其涉及一种可控功耗的无人机飞行控制系统及方法。

背景技术

无人机是具备自主飞行能力的飞行器。飞行控制系统作为无人机的重要部分，其性能的优劣对无人机系统的整体技战术指标有很重要的影响。在一定意义上，飞控系统有狭义飞控系统和广义飞控系统，所谓狭义飞控系统指的是由内环增稳回路和外环位置回路构成，包含传感器模块，控制算法模块和执行模块，完成机体控制任务的系统，是纯粹的控制系统；而广义的飞控系统在狭义飞控的基础上，还包括机载电气、载荷控制、能源监控、数据记录等功能，对机上的数据和信息流进行综合的管理，将机体上能控制的电气部件进行整合，实现对飞机的综合控制。

在飞行控制系统方案设计时，工业上通常的做法是采用高性能军工级的硬件系统和基于高可靠性实时操作系统的飞控软件，保证控制操作实时性、各种数据吞吐量以及软件系统的可靠性等等，而且一般的成熟飞控系统都有至少三余度的冗余保障，最大限度的保证飞控的可靠性。但是，这种系统带来的问题就是整个系统的高功耗。

针对另一种飞控系统，飞机成本低廉而且一般不需要操作繁琐的飞行动作时，所以使其所需要的飞控系统走向另一种极端，用性价比高的硬件和单线程软件，控制飞机做一般的飞行动作，其功耗很低，但是同时降低了性能和可靠性。

发明内容

 本发明的目的是提供一种可控功耗的无人机飞行控制系统及方法，能够根据实际的飞行模态情况，合理的判断需要工作的任务耗能模块，进行功耗的分配，达到合理控制功耗，降低资源浪费的目的。

 本发明采用的技术方案为：

一种可控功耗的无人机飞行控制系统，包括系统模块、硬件驱动模块、驱动器模块、手动遥控模块、通信模块、传感器模块、姿态解算模块、姿态稳定模块、航点模块、制导模块、控制器模块、载荷模块和电源模块，所述的系统模块的启动控制端连接硬件驱动模块的控制接收端，硬件驱动模块的驱动端连接驱动器模块的信号接收端，驱动器模块的控制端分别连接姿态解算模块、姿态稳定模块的启动端，姿态解算模块、姿态稳定模块的信号输入端均连接传感器模块的采集信号输出端，姿态解算模块、姿态稳定模块的信号输出端均连接控制器模块的信号输入端，控制器模块的信号输出端连接航点模块、制导模块的信号输入端，控制器模块的信号输出端还连接载荷模块，手动遥控模块通过通信模块连接驱动器模块，所述的电源模块为整个系统供电。

一种可控功耗的无人机飞行控制方法，包括以下步骤：

A：首先，对飞控系统软件架构进行划分，即对上述的所有模块按照重要程度进行优先级的分级，优先级从高到低依次为设备驱动类别的优先级、飞行控制类别的优先级、航线导航类别的优先级和出现故障类别的优先级，优先级指的是对cpu使用权的排序；

B：再将每一个优先级分为一种工作模式，设备驱动类别的优先级为三级模式、飞行控制类别的优先级为二级模式、航线导航类别的优先级为一级模式、基础飞行类别的优先级为零级模式；

三级模式：最高消耗模式，上述所有的模块满负荷工作；

二级模式：在本模式下，有些模块会被关闭，有些模块会被降低工作频率，但全系统还是处于紧张状态，随时可以进入到三级模式；

一级模式：是能源消耗较小的模式，本模式下，只保留基本的保证飞机安全飞行的模块，其余的模块全部关闭节省能源；

零级模式：本模式是特殊的应急模式，指的是在发生事故或电量急剧减少等其他特殊情况，甚至无法返回基地的情况下的一种工作模式，这种模式尽全力保证飞控系统的通信安全，方便寻找飞机。

本发明为了解决工业用飞控系统的高功耗问题，我们发明了本方案。本发明基于如上所述的广义飞控系统，采用高性能级的硬件系统和基于高可靠性实时操作系统的飞控软件来保证可靠性。而采用分层的软件架构，不同优先级的模块工作在不同的任务模态下，在执行关键任务时系统全面展开，最高效率工作；而执行一般任务时关闭一些设备或模块，或降低其使用频率，以降低系统功耗；执行最低优先级任务时只保留保证飞机能安全飞行的模块。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图；

图2为本发明的工作原理流程图；

图3为本发明的工作模式转换示意图。

具体实施方式

如图1、2和3所示，本发明包括系统模块、硬件驱动模块、驱动器模块、手动遥控模块、通信模块、传感器模块、姿态解算模块、姿态稳定模块、航点模块、制导模块、控制器模块、载荷模块和电源模块，所述的系统模块的启动控制端连接硬件驱动模块的控制接收端，硬件驱动模块的驱动端连接驱动器模块的信号接收端，驱动器模块的控制端分别连接姿态解算模块、姿态稳定模块的启动端，姿态解算模块、姿态稳定模块的信号输入端均连接传感器模块的采集信号输出端，姿态解算模块、姿态稳定模块的信号输出端均连接控制器模块的信号输入端，控制器模块的信号输出端连接航点模块、制导模块的信号输入端，控制器模块的信号输出端还连接载荷模块，手动遥控模块通过通信模块连接驱动器模块，所述的电源模块为整个系统供电。

本发明的飞行控制方法，包括以下步骤：

A：首先，对飞控系统软件架构进行划分，即对上述的所有模块按照重要程度进行优先级的分级，优先级从高到低依次为设备驱动类别的优先级、飞行控制类别的优先级、航线导航类别的优先级和出现故障类别的优先级，优先级指的是对cpu使用权的排序；

B：再将每一个优先级分为一种工作模式，设备驱动类别的优先级为三级模式、飞行控制类别的优先级为二级模式、航线导航类别的优先级为一级模式、基础飞行类别的优先级为零级模式；

三级模式：最高消耗模式，上述所有的模块满负荷工作；

二级模式：在本模式下，有些模块会被关闭，有些模块会被降低工作频率，但全系统还是处于紧张状态，随时可以进入到三级模式；

一级模式：是能源消耗较小的模式，本模式下，只保留基本的保证飞机安全飞行的模块，其余的模块全部关闭节省能源；

零级模式：本模式是特殊的应急模式，指的是在发生事故或电量急剧减少等其他特殊情况，甚至无法返回基地的情况下的一种工作模式，这种模式尽全力保证飞控系统的通信安全，方便寻找飞机。

为了解决工业用飞控系统的高功耗问题，我们发明了本方案。本发明基于如上所述的广义飞控系统，采用高性能级的硬件系统和基于高可靠性实时操作系统的飞控软件来保证可靠性。而采用分层的软件架构，不同优先级的模块工作在不同的任务模态下，在执行关键任务时系统全面展开，最高效率工作；而执行一般任务时关闭一些设备或模块，或降低其使用频率，以降低系统功耗；执行最低优先级任务时只保留保证飞机能安全飞行的模块。

为此，首先我们将系统软件分成若干模块，每个模块可以执行一个完整的功能，而且具备可被控制通断的能力，每个模块按既定流程顺序执行，工作流程详见附图2所示。

模块功能详细说明如下：

系统模块：系统的核心模块，负责管理各模块的运行，其管理模块运行的权利是唯一的，它并不调度各个模块的运行（进程调度由操作系统完成），只是系统启动时首先启动本模块，再由本模块根据当前模式，启动需要的任务模块；

硬件驱动模块：我们将所有的硬件驱动从功能上划分为一个模块，其实每个驱动都可以单独作为一个模块，其功能与一般的驱动基本相同，不同之处是可控制单独器件上电和下电。

驱动器模块：控制马达和舵机的工作，对于不同结构的飞机，可根据需要调整马达和各个舵机的配合关系；

电源模块：监控电源状态，包括飞控板电压，载荷电压和马达舵机电压，并根据需要向系统模块提出报警消息，以便系统模块调整飞行模式；

手动遥控模块：用于特殊情况时手动遥控飞行，本模块采集地面操作人员的指令，并将指令交给驱动器模块执行；

通信模块：负责与地面站的数据通信，将需要回传的数据打包，收到的数据解包，可以再不同的频率下工作，不包括载荷数据；

传感器模块：采集陀螺仪、加计和磁航向的数据，采集空速传感器并计算空速，采集气压传感器并计算高度，接收GPS/北斗信号并解析位置数据；

姿态解算模块：对各种传感器数据进行数据融合，包括互补滤波和扩展卡尔曼滤波（用于不同模态）；

姿态稳定模块：解算内环控制器，输入是姿态角，来自姿态结算模块，输出是每个通道的舵量，交给驱动器模块，参数来自于控制器参数模块；

航点模块：维持航点队列和计算当前航线状态，计算航点切换状态机；

制导模块：根据航点模块数据，解算航线控制器，作为姿态稳定模块的外环，输出当前航线需要的姿态角；

控制器参数模块：根据地面人员的命令，在线修订控制器的参数，并能使参数平稳过渡，不引起大跳变；

数据记录模块：负责所有数据的记录；

载荷模块：载荷平台的姿态控制和载荷的上电下电。

为此我们将这些模块按照重要程度进行优先级的分级，我们这里分为四级，优先级从高到低依次为设备驱动类别的优先级、飞行控制类别的优先级、航线导航类别的优先级和其他类别的优先级。优先级指的是对cpu使用权的排序。

依据如上对飞控系统软件架构的划分，我们制定了四种不同的工作模式，这四种模式是根据执行不同任务时飞控系统对能源的需求划分的，是对不同功能模块和优先级排列组合的结果。

三级模式：

本模式是最高消耗模式，用在关键任务的执行时期，系统全面开展工作，所有用到的模块满负荷工作，争取获得最好的工作效果。

例如侦察型无人机在达到目标区域后的开始的抵近详查，或者攻击型无人机捕捉到目标后开始的打击任务，都适用于在本模式下工作。

二级模式：

本模式能源的消耗比三级模式小，用于执行仅次于关键任务的一些任务，在本模式下，有些模块会被关闭，有些模块会被降低工作频率，但全系统还是处于紧张状态，随时可以进入到三级模式。

在侦察型无人机的大面积扫描，攻击型无人机的目标扫描过程中，都适用于在本模式。

一级模式：

本模式是能源消耗较小的模式，用于执行没有危险性或重要程度低的任务，本模式下，只保留基本的保证飞机安全飞行的模块，其余的模块全部关闭节省能源。

在无人机抵达任务区之前的巡航或之后的返航阶段，适合本模式。

零级模式：

本模式是特殊的应急模式，指的是在发生事故或电量急剧减少等其他特殊情况，甚至无法返回基地的情况下的一种工作模式，这种模式尽全力保证飞控系统的通信安全，方便寻找飞机。

如上的模式在飞行过程中根据需要，可由操作人员自由转换，飞控系统也可以根据能源状态自己决定，我们一般采用的顺序是，起飞后先是二级模式巡航，随后三级模式执行任务，然后一级模式返航降落，大体如图1所示。

本发明在保证飞控系统效能的前提下，最大限度的节约了能源。在关键任务时用最高的能耗，和传统的高可靠性飞控方案没有区别，所以其工作效果一样；而在不执行关键任务时的能耗要比传统方案节约的多。所以本发明的优点，就是在不降低工作能力前提下的低功耗。

Claims (2)

1.一种可控功耗的无人机飞行控制系统，其特征在于：包括系统模块、硬件驱动模块、驱动器模块、手动遥控模块、通信模块、传感器模块、姿态解算模块、姿态稳定模块、航点模块、制导模块、控制器模块、载荷模块和电源模块，所述的系统模块的启动控制端连接硬件驱动模块的控制接收端，硬件驱动模块的驱动端连接驱动器模块的信号接收端，驱动器模块的控制端分别连接姿态解算模块、姿态稳定模块的启动端，姿态解算模块、姿态稳定模块的信号输入端均连接传感器模块的采集信号输出端，姿态解算模块、姿态稳定模块的信号输出端均连接控制器模块的信号输入端，控制器模块的信号输出端连接航点模块、制导模块的信号输入端，控制器模块的信号输出端还连接载荷模块，手动遥控模块通过通信模块连接驱动器模块，所述的电源模块为整个系统供电。

2.一种可控功耗的无人机飞行控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

A：首先，对飞控系统软件架构进行划分，即对上述的所有模块按照重要程度进行优先级的分级，优先级从高到低依次为设备驱动类别的优先级、飞行控制类别的优先级、航线导航类别的优先级和出现故障类别的优先级，优先级指的是对cpu使用权的排序；

B：再将每一个优先级分为一种工作模式，设备驱动类别的优先级为三级模式、飞行控制类别的优先级为二级模式、航线导航类别的优先级为一级模式、基础飞行类别的优先级为零级模式；

三级模式：最高消耗模式，上述所有的模块满负荷工作；

二级模式：在本模式下，有些模块会被关闭，有些模块会被降低工作频率，但全系统还是处于紧张状态，随时可以进入到三级模式；

一级模式：是能源消耗较小的模式，本模式下，只保留基本的保证飞机安全飞行的模块，其余的模块全部关闭节省能源；

零级模式：本模式是特殊的应急模式，指的是在发生事故或电量急剧减少等其他特殊情况，甚至无法返回基地的情况下的一种工作模式，这种模式尽全力保证飞控系统的通信安全，方便寻找飞机。