CN105867414A - 一种多传感器冗余备份的无人机飞行控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种多传感器冗余备份的无人机飞行控制系统，可用于多旋翼、直升机、固定翼无人机。该系统由主控单元、协处理器单元、传感器冗余单元、数据交换单元、数据记录单元与供电单元构成。其中传感器冗余单元由多组陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计与卫星定位系统构成，应用传感器融合技术，可以实现在任意单个传感器故障时将其识别并隔离，从而不对飞行控制系统的正常工作造成影响。本发明通过应用传感器融合技术，在飞控重量与成本的增加相对整体可以忽略不计的前提下，极大的提高了飞行控制系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及无人飞行器控制领域，特别涉及一种多传感器冗余备份的无人机飞行控制系统。
背景技术
无人机飞行控制系统通过采集传感器的信息进行组合导航姿态解算来获得飞机的姿态、高度、速度及位置信息，从而控制飞机实现手动增稳或者自动飞行。其中传感器包括三轴的陀螺仪、三轴的加速度计、三轴的磁力计、气压计以及卫星定位系统。三轴的陀螺仪用于测量飞机机体三轴方向的角速度信息；三轴的加速度计用于测量飞机机体三轴方向的加速度信息；三轴的磁力计用于测量飞机机体三轴方向的磁通量信息；气压计用于测量气压信息，将其转化为海拔高度信息；卫星定位系统用于测量飞机的位置信息、速度信息。以上传感器相当于飞机对外界的感知系统，传感器原始数据的稳定可靠是飞机能够正常飞行的前提。
但目前的用于小型无人机的传感器存在以下问题：
高可靠性的传感器如机械陀螺、光纤陀螺等重量大、体积大，同时价格十分昂贵，限制了其在小型无人机上的使用。
可用在小型无人机上的多为MEMS传感器，其体积小、重量轻、成本低，但是可靠性差。当飞机在天空中有单一传感器发生故障后，将对飞机正常飞行造成致命影响，轻则结束任务立即迫降，重则造成摔机惨剧。
发明内容
为克服目前飞控系统受限于传感器单元不可靠所造成的问题，本发明提出了一种多传感器冗余备份的无人机飞行控制系统，该系统有限增加飞控系统重量及成本的前提下，通过引入多传感器冗余技术，大幅度降低飞机的故障率。
本发明采用的技术方案为：
一种多传感器冗余备份的无人机飞行控制系统，所述无人机飞行控制系统包括：用于对飞机进行控制的主控单元；用于扩展主控单元接口的协处理器单元；用于采集飞机数据的冗余传感器单元，包括两个或以上的加速度计、两个或以上陀螺仪、两个或以上磁力计、一个或以上高度计以及一个或以上卫星定位；冗余传感器单元通过相同类型传感器的冗余备份及不同传感器的数据融合来识别出单一传感器的故障并将其隔离，从而提高系统的可靠性；用于为整个系统供电的电源单元；用于接收数据与发送数据的数据交换单元；以及用于记录飞行数据的数据记录单元。
作为优选，所述主控单元用于控制飞机与任务设备；主控单元从传感器单元获得传感器原始数据，从数据交换单元获得地面站对飞机的控制信号，从协处理器单元获得遥控控制信号；主控制单元根据冗余传感器单元的原始数据进行导航解算，计算出飞机的姿态、高度、速度、位置信息；综合导航解算的结果、地面站控制信号及遥控控制信号进行控制率解算，将解算的结果发给协处理器单元；同时从数据交换单元获得地面站对任务设备的控制信号，控制任务设备，并将飞机的飞行信息发送给数据交换单元与数据记录单元；
所述协处理器单元用于扩展主控单元的接口；协处理器单元采集遥控接收机的控制信号，将其传送给主控制单元；协处理单元接收主控制单元发来的对各电机的控制信号，将其输出给连接电机的各个电子调速器；
所述冗余传感器单元用于采集飞机的姿态、高度、速度、位置信息；
所述电源单元用于为整个系统供电；所述整个系统包括主控单元、协处理器单元、传感器单元、数据交换单元、数据记录单元；电源单元由保护模块与变压模块构成；
所述的数据交换单元用于与地面站传输数据；数据交换单元接收主控单元的飞行信息，将其发送到地面站，同时接收地面站对飞机的控制信息，将其传送给主控单元；
所述的数据记录单元用于记录飞机的飞行数据；数据记录单元接收主控发来的飞行数据信息，将其写入存储芯片中。
进一步的，所述的冗余传感器单元，通过比较相同类型的传感器数据，对传感器状态进行初判，当数据误差小于等于10％时则认为传感器都工作正常，若数据误差大于10％，则通过不同传感器的互补融合来对其进行判别；若每种传感器个数在三个或以上，通过少数服从多数原则直接判断出传感器故障；若每种传感器有两个，则判断方法如下：若加速度计值相差大于10％，通过对其值二次积分后与卫星定位位置信息比较判断出哪个加速度计故障；若磁力计值相差大于10％，通过对陀螺仪积分判断出哪个磁力计故障；若陀螺仪值相差大于10％，通过对其积分后的值与相应轴上磁力计或加速度计的值比较判断出哪个陀螺仪故障。
作为优选，主控单元通过串口、IIC、SPI、CAN中任意一种或多种通讯单元从冗余传感器单元采集传感器的数据，根据传感器的数据应用姿态融合算法来进行导航解算，计算出飞机的导航信息，所述导航信息包括姿态、高度、速度、位置信息；根据上述的导航信息、协处理单元发来的控制信号、数据交换单元发来的地面站信息来进行控制率解算，计算出分配给各个电机的控制信号，将控制信号发送给协处理器单元，由协处理单元输出给控制电机的电子调速器；主控单元还从数据交换单元接收地面对任务设备的控制信号，对任务设备做出响应；主控单元将飞机的飞行数据分别发送给数据交换单元与数据记录单元，发送给数据交换单元的数据将发送给地面站显示，发送给数据记录单元的数据将写入数据记录单元的记录设备中。
作为优选，所述的电源单元，用于首选判断输入电压极性是否正确、输入电压范围是否正确，若输入电压极性及范围都正确，则将其输入给变压模块，变压模块将其转化为主控单元、协处理器单元、冗余传感器单元、数据交换单元、数据记录单元各自所需的电压，为其供电。
进一步的，所述的主控单元由ARM、DSP、单片机中任意一种运算单元实现；所述的遥控接收机的控制信号是普通多路PWM或Futaba的S.Bus；所述的数据交换单元由数传电台、蓝牙电台、WIFI模块中任意一种实现；所述的卫星定位是GPS、北斗、GLONASS、Galileo中的一种或几种的组合。
本发明的有益效果主要表现在：相比于传统的无人机飞行控制系统，本发明通过引入传感器冗余技术，在不大幅度提高飞控重量及成本的前提下，大幅度的提高了飞控系统的可靠性，可以实现在单故障时继续执行任务，双传感器故障时安全降落。
附图说明
图1是一种多传感器冗余备份的无人机飞行控制系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本发明的多传感器冗余备份的无人机飞行控制系统可用于多旋翼、直升机、固定翼无人机。该系统由主控单元、协处理器单元、传感器冗余单元、数据交换单元、数据记录单元与供电单元构成。具体如下：
参照附图1，一种多传感器冗余备份的无人机飞行控制系统，所述无人机飞行控制系统包括：用于对飞机进行控制的主控单元；用于扩展主控单元接口的协处理器单元；用于采集飞机数据的冗余传感器单元，包括两个或以上的加速度计、两个或以上陀螺仪、两个或以上磁力计、一个或以上高度计以及一个或以上卫星定位；冗余传感器单元通过相同类型传感器的冗余备份及不同传感器的数据融合来识别出单一传感器的故障并将其隔离，从而提高系统的可靠性；用于为整个系统供电的电源单元；用于接收数据与发送数据的数据交换单元；以及用于记录飞行数据的数据记录单元。
所述主控单元用于控制飞机与任务设备；主控单元从传感器单元获得各个传感器感应到的原始数据，从数据交换单元获得地面站对飞机的控制信号，从协处理器单元获得遥控控制信号(即遥控接收机转发的控制信号)；主控制单元根据冗余传感器单元感应到的原始数据进行导航解算，计算出飞机的姿态、高度、速度和位置信息；综合导航解算的结果、地面站控制信号及遥控接收机发送的控制信号进行控制率解算，将解算的结果发给协处理器单元；同时从数据交换单元获得地面站对任务设备的控制信号，控制任务设备，并将飞机的飞行信息发送给数据交换单元与数据记录单元；所述的主控单元由ARM、DSP、单片机中任意一种运算单元实现。
所述协处理器单元用于扩展主控单元的接口；协处理器单元采集遥控接收机的控制信号，将其传送给主控制单元；协处理单元接收主控制单元发来的对各电机的控制信号，将其输出给飞机上实现安装的连接电机的各个电子调速器。所述的遥控接收机的控制信号是普通多路PWM或Futaba的S.Bus。
所述冗余传感器单元用于采集飞机的姿态、高度、速度和位置信息。
所述电源单元用于为整个系统供电；所述整个系统包括主控单元、协处理器单元、传感器单元、数据交换单元、数据记录单元；电源单元由保护模块与变压模块构成。
所述的数据交换单元用于与地面站传输数据；数据交换单元接收主控单元的飞行信息，将其发送到地面站，同时接收地面站对飞机的控制信息，将其传送给主控单元。所述的数据交换单元由数传电台、蓝牙电台、WIFI模块中任意一种实现。
所述的数据记录单元用于记录飞机的飞行数据；数据记录单元接收主控单元发来的飞行数据信息，将其写入存储芯片中。
所述的冗余传感器单元，通过比较相同类型的传感器数据，对传感器状态进行初判，当数据误差小于等于10％时则认为传感器都工作正常，若数据误差大于10％，则通过不同传感器的互补融合来对其进行判别是否故障；若每种传感器个数在三个或以上，通过少数服从多数原则直接判断出传感器故障；若每种传感器有两个，则判断方法如下：若加速度计值相差大于10％，通过对其值二次积分后与卫星定位位置信息比较判断出哪个加速度计故障；若磁力计值相差大于10％，通过对陀螺仪积分判断出哪个磁力计故障；若陀螺仪值相差大于10％，通过对其积分后的值与相应轴上磁力计或加速度计的值比较判断出哪个陀螺仪故障。所述的卫星定位是GPS、北斗、GLONASS、Galileo中的一种或几种的组合。
主控单元原理为采集传感器数据进行导航解算，结合控制命令进行控制率解算，最终输出。主控单元可以通过串口、IIC、SPI、CAN中任意一种或多种通讯单元从冗余传感器单元采集传感器的数据，根据传感器的数据应用姿态融合算法来进行导航解算，计算出飞机的导航信息，所述导航信息包括姿态、高度、速度、位置信息；根据上述的导航信息、协处理单元发来的控制信号、数据交换单元发来的地面站信息来进行控制率解算，计算出分配给各个电机的控制信号，将控制信号发送给协处理器单元，由协处理单元输出给控制电机的电子调速器；主控单元还从数据交换单元接收地面对任务设备的控制信号，对任务设备做出响应；主控单元将飞机的飞行数据分别发送给数据交换单元与数据记录单元，发送给数据交换单元的数据将发送给地面站显示，发送给数据记录单元的数据将写入数据记录单元的记录设备SD卡中。
所述的电源单元，用于首选判断输入电压极性是否正确、输入电压范围是否正确，若输入电压极性及范围都正确，则将其输入给变压模块，变压模块将其转化为主控单元、协处理器单元、冗余传感器单元、数据交换单元、数据记录单元各自所需的电压，为其供电。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种多传感器冗余备份的无人机飞行控制系统，其特征在于：所述无人机飞行控制系统包括：
用于对飞机进行控制的主控单元；
用于扩展主控单元接口的协处理器单元；
用于采集飞机数据的冗余传感器单元，包括两个或以上的加速度计、两个或以上陀螺仪、两个或以上磁力计、一个或以上高度计以及一个或以上卫星定位；冗余传感器单元通过相同类型传感器的冗余备份及不同传感器的数据融合来识别出单一传感器的故障并将其隔离，从而提高系统的可靠性；
用于为整个系统供电的电源单元；
用于接收数据与发送数据的数据交换单元；
以及用于记录飞行数据的数据记录单元。
2.如权利要求1所述的多传感器冗余备份的无人机飞行控制系统，其特征在于：所述主控单元用于控制飞机与任务设备；主控单元从传感器单元获得传感器原始数据，从数据交换单元获得地面站对飞机的控制信号，从协处理器单元获得遥控控制信号；主控制单元根据冗余传感器单元的原始数据进行导航解算，计算出飞机的姿态、高度、速度、位置信息；综合导航解算的结果、地面站控制信号及遥控控制信号进行控制率解算，将解算的结果发给协处理器单元；同时从数据交换单元获得地面站对任务设备的控制信号，控制任务设备，并将飞机的飞行信息发送给数据交换单元与数据记录单元；
所述协处理器单元用于扩展主控单元的接口；协处理器单元采集遥控接收机的控制信号，将其传送给主控制单元；协处理单元接收主控制单元发来的对各电机的控制信号，将其输出给连接电机的各个电子调速器；
所述冗余传感器单元用于采集飞机的姿态、高度、速度、位置信息；
所述电源单元用于为整个系统供电；所述整个系统包括主控单元、协处理器单元、传感器单元、数据交换单元、数据记录单元；电源单元由保护模块与变压模块构成；
所述的数据交换单元用于与地面站传输数据；数据交换单元接收主控单元的飞行信息，将其发送到地面站，同时接收地面站对飞机的控制信息，将其传送给主控单元；
所述的数据记录单元用于记录飞机的飞行数据；数据记录单元接收主控发来的飞行数据信息，将其写入存储芯片中。
3.如权利要求2所述的多传感器冗余备份的无人机飞行控制系统，其特征在于：所述的冗余传感器单元，通过比较相同类型的传感器数据，对传感器状态进行初判，当数据误差小于等于10％时则认为传感器都工作正常，若数据误差大于10％，则通过不同传感器的互补融合来对其进行判别；若每种传感器个数在三个或以上，通过少数服从多数原则直接判断出传感器故障；若每种传感器有两个，则判断方法如下：若加速度计值相差大于10％，通过对其值二次积分后与卫星定位位置信息比较判断出哪个加速度计故障；若磁力计值相差大于10％，通过对陀螺仪积分判断出哪个磁力计故障；若陀螺仪值相差大于10％，通过对其积分后的值与相应轴上磁力计或加速度计的值比较判断出哪个陀螺仪故障。
4.如权利要求1所述的多传感器冗余备份的无人机飞行控制系统，其特征在于：主控单元通过串口、IIC、SPI、CAN中任意一种或多种通讯单元从冗余传感器单元采集传感器的数据，根据传感器的数据应用姿态融合算法来进行导航解算，计算出飞机的导航信息，所述导航信息包括姿态、高度、速度、位置信息；根据上述的导航信息、协处理单元发来的控制信号、数据交换单元发来的地面站信息来进行控制率解算，计算出分配给各个电机的控制信号，将控制信号发送给协处理器单元，由协处理单元输出给控制电机的电子调速器；主控单元还从数据交换单元接收地面对任务设备的控制信号，对任务设备做出响应；主控单元将飞机的飞行数据分别发送给数据交换单元与数据记录单元，发送给数据交换单元的数据将发送给地面站显示，发送给数据记录单元的数据将写入数据记录单元的记录设备中。
5.如权利要求1所述的多传感器冗余备份的无人机飞行控制系统，其特征在于：所述的电源单元，用于首选判断输入电压极性是否正确、输入电压范围是否正确，若输入电压极性及范围都正确，则将其输入给变压模块，变压模块将其转化为主控单元、协处理器单元、冗余传感器单元、数据交换单元、数据记录单元各自所需的电压，为其供电。
6.如权利要求2所述的多传感器冗余备份的无人机飞行控制系统，其特征在于：所述的主控单元由ARM、DSP、单片机中任意一种运算单元实现；所述的遥控接收机的控制信号是普通多路PWM或Futaba的S.Bus；所述的数据交换单元由数传电台、蓝牙电台、WIFI模块中任意一种实现；所述的卫星定位是GPS、北斗、GLONASS、Galileo中的一种或几种的组合。
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