CN105867418A - 一种通用小型无人机双核飞行控制计算机及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通用小型无人机双核飞行控制计算机及控制方法，包括机载传感器系统、无线通信模块、主和从飞行控制计算机、双端口RAM、第一及第二多路选择开关，所述主和从飞行控制计算机之间通过CAN总线互相发送心跳检测信号，判断是否存在故障；及根据判断结果控制第一多路选择开关将机载传感器系统、无线通信模块连接于主或从飞行控制计算机，由主或从飞行控制计算机根据接收和解码的无人机状态信息和无线控制指令计算获得控制信号；并根据判断结果控制第二多路选择开关将主或从飞行控制计算机的控制信号输出，以使得计算机工作于主从负荷分担模式或独立分担模式。本发明双核飞行控制计算机运算速度快，数据吞吐量大，且可保障系统不间断运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种通用小型无人机双核飞行控制计算机及控制方法，属于无人机飞行控制的技术领域。
背景技术
小型无人机的研究和发展在航空领域经久不衰，主要原因是其在体积、重量和成本等方面有着其他大中型航空飞行器所不可比拟的优点。目前，随着计算机技术、航空技术和控制理论的不断发展，小型无人机智能化水平和综合能力逐渐提高，这些特点决定了未来小型无人机不但可以拥有常规无人机的一些功能特点，还会因其体积小、重量轻、功耗低、成本小等独特优势，具有更加广阔的应用前景，但同时这些特点和发展方向对其核心组成部分的飞行控制系统提出了更加严格的要求。
一方面，由于受小型无人机体积空间的限制和可配置有效载荷的制约，飞行控制系统必须在体积和重量等方面进行必要的裁剪和优化，以满足系统小型化的设计要求；另一方面，随着自主化和智能化水平不断提高，小型无人机的功能越来越复杂，所承担的飞行任务，特别是在军事上的任务愈加重要，因此飞行控制系统必须在安全性和可靠性方面提供更加有效的保障。
并且，目前小型无人机一般采用单CPU进行飞行控制，单CPU的任务负荷大，处理速度慢，且系统的接口资源少，尤其在CPU出现故障时，无人机无法继续执行飞行任务。如何在系统体积越来越小，集成度越来越高的情况下，仍保证其具有较高可靠性，成为了小型无人机飞行控制系统研究的一项关键技术。并且随着小型无人机应用的日益广泛，功能越来越复杂，对飞行控制计算机接口资源的数量和类型要求逐渐提高，因此设计一种满足多数小型无人机要求的飞行控制计算机有很大的工程应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种通用小型无人机双核飞行控制计算机及控制方法，解决目前小型无人机一般采用单CPU、任务负荷大，处理速度慢，且系统的接口资源少的技术问题。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种通用小型无人机双核飞行控制计算机，包括机载传感器系统、无线通信模块、主飞行控制计算机，还包括从飞行控制计算机、双端口RAM、第一及第二多路选择开关；所述机载传感器系统，用于获取无人机状态信息；所述无线通信模块，用于接收和发送无线控制指令；所述双端口RAM，用于主和从飞行控制计算机之间数据直接传输；所述主和从飞行控制计算机之间通过CAN总线互相发送心跳检测信号，根据心跳检测信号判断主和从飞行控制计算机是否存在故障，及根据判断结果控制第一多路选择开关将机载传感器系统、无线通信模块连接于主或从飞行控制计算机，由主或从飞行控制计算机根据接收和解码的无人机状态信息和无线控制指令计算获得控制信号；并根据判断结果控制第二多路选择开关将主或从飞行控制计算机所获得控制信号输出，以使得主和从飞行控制计算机工作于主从负荷分担模式或独立分担模式。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述主从负荷分担模式下，由从飞行控制计算机获取和解码无人机状态信息和无线控制指令，并通过双端口RAM将解码后的无人机状态信息和无线控制指令发送至主飞行控制计算机，由主飞行控制计算机计算获得控制信号。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述主和从飞行控制计算机还包括用于与外部设备建立连接的数据扩展接口。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述主和从飞行控制计算机还包括复位引脚和GPIO信号接口，所述复位引脚连接对方飞行控制计算机的GPIO信号接口。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述机载传感器系统包括气压高度计、空速计、航姿传感器、DGPS接收机。
本发明还提出一种通用小型无人机双核飞行控制方法，该方法基于主和从飞行控制计算机，包括以下步骤：
利用主和从飞行控制计算机互相发送心跳检测信号，根据心跳检测信号判断主和从飞行控制计算机是否存在故障：
当主和从飞行控制计算机均正常情况下，双机工作于主从负荷分担模式，即：从飞行控制计算机接收和解码无人机状态信息和无线控制指令，及将解码后的无人机状态信息和无线控制指令发送；由主飞行控制计算机根据解码后的无人机状态信息和无线控制指令进行计算，获得和输出用于控制执行机构飞行的控制信号；
当主和从飞行控制计算机中任一个发生故障时，工作于独立分担模式，即：由正常工作的飞行控制计算机接收和解码无人机状态信息及无线控制指令，并根据解码后的无人机状态信息、无线控制指令和所接收发生故障的飞行控制计算机的传输数据进行计算，获得和输出用于控制执行机构飞行的控制信号。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述主从负荷分担模式和独立分担模式下，输出的控制信号为PWM信号或DA信号。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述工作于独立分担模式下还包括正常工作的飞行控制计算机向发生故障的飞行控制计算机发送复位信号。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
1、 本发明提供的通用小型无人机双核飞行控制计算机及控制方法，包括主、从两个飞行控制计算机，可工作于负荷分担工作模式，利用主飞行控制计算机用于飞行控制计算功能，从飞行控制计算机作为系统接口，执行数据收发相关任务，降低了单CPU任务负荷，增强了系统的稳定性。
2、本发明所述的双核飞行控制计算机，当两个飞行控制计算机中的一个故障时，可工作于独立分担模式，正常工作计算机可接替故障飞行控制计算机任务，继续提供飞行控制和飞行管理功能，实现系统容错功能，提高了系统的可靠性。
3、本发明所述的双核飞行控制计算机，提供了丰富的接口资源，可满足多数小型无人机的飞行控制需求，提高了所述飞行控制计算机的通用性。
因此，本发明的双核飞行控制计算机采用主从负荷分担工作模式，一方面减轻了单CPU的任务负荷，同时增加了系统的接口资源，并且与单CPU飞行控制计算机相比，其体积和重量并没有显著增加，而安全性和可靠性大大提高，适合实现对小型无人机的飞行控制。
附图说明
图1 是本发明通用小型无人机双核飞行控制计算机的结构图。
图2 是本发明中双机数据通信示意图。
图3 是本发明中气压高度计和空速计与飞行控制计算机的连接示意图。
图4 是本发明中DGPS接收机与飞行控制计算机的连接示意图。
图5 是本发明中航姿传感器ADIS16480与飞行控制计算机的连接示意图。
图6 是本发明中无线通信模块N920与飞行控制计算机的连接示意图。
图7 是本发明中第二多路选择开关的信号选择结构图。
图8 是本发明中复位引脚和GPIO信号接口的连接示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示，本发明提供了一种通用小型无人机双核飞行控制计算机，包括两个功能独立的微控制器单元，分别成为主飞行控制计算机LCPU和从飞行控制计算机RCPU；用以双机通信的双端口RAM；用以获取无人机状态信息的内置机载传感器系统；用以和地面控制系统通信的无线通信模块N920，用于接收和发送无线控制指令；以及还包括第一多路选择开关及第二多路选择开关；所述主和从飞行控制计算机之间通过CAN总线互相发送心跳检测信号，根据心跳检测信号判断主和从飞行控制计算机是否存在故障，及根据判断结果控制第一多路选择开关将机载传感器系统、无线通信模块连接于主或从飞行控制计算机，由主或从飞行控制计算机根据接收和解码的无人机状态信息和无线控制指令计算获得控制信号；并根据判断结果控制第二多路选择开关将主或从飞行控制计算机所获得控制信号输出，以使得主和从飞行控制计算机工作于主从负荷分担模式或独立分担模式。
具体地，所述的主控单元包括两个功能独立的32位微控制器MPC565，分别构成主飞行控制计算机LCPU和从飞行控制计算RCPU。所述的两个微控制器MPC565拥有独立的供电系统、时钟电路、存储电路、复位电路等外围电路，均可独立执行部分或全部飞行控制和飞行管理任务。
所述主从飞行控制计算机均包括丰富的数据输入接口和数据输出接口，包括 10路RS232/RS422串行通信接口、16路DA模拟量输出接口、16路DO数字量输出接口、24路PWM输出接口、24路AD模拟量输入接口、16路DI数字量输入接口、4路频率量测量接口、系统电源检测接口等系统资源接口。所述主从飞行控制计算机之间通过CAN总线进行心跳检测信号通信，用于故障检测。
所述主和从飞行控制计算机还包括用于与外部设备建立连接的数据扩展接口，该数据扩展接口是由所述主、从飞行控制计算机共同提供，其中主飞行控制计算机扩展了RS232/RS422串行通信接口5~10，DA通道9~通道16，DO通道9~通道16，PWM通道13~24，DI通道9~16，频率量测量通道3和通道4；从飞行控制计算机扩展了RS232/RS422串行通信接口1~4，DA通道1~8，DO通道1~8，PWM通道1~12，DI通道1~8，频率量测量通道1和通道2。上述主、从飞行控制计算机不仅可以操作自身扩展的系统资源接口，还可以调用相应驱动接口操作其他系统资源接口。利用提供了丰富的接口资源，可满足多数小型无人机的飞行控制需求，提高了所述飞行控制计算机的通用性。
以及所述主、从飞行控制计算机通过双端口RAM进行通信，所述双端口RAM选用Cypress公司的CY7C028V高速双端口异步静态RAM存储器，通过两套独立的数据总线和地址总线分别与所述主、从飞行控制计算机相连，所述主、从飞行控制计算机均可独立访问所述双端口RAM，进行数据的读取交换操作。两者通过双端口RAM进行数据通信，从飞行控制计算机将接收到接口数据通过双端口RAM发送给主飞行控制计算机，而主飞行控制计算机将需要发送的接口数据通过双端口RAM发送给从飞行控制计算机，由从飞行控制计算机通过接口发送给外界。以及，将双端口RAM内部存储空间划分为不同的区，不同的数据信息类型分区存放，同一接口的数据，规定只能单方向传递，即只允许主处理机写入从处理机读取或从处理机写入主处理机读取的形式，避免双端口RAM内部数据被非法更改，此类数据对于AD、DA、DI、DO、PWM等信息都适应。为避免内存访问冲突采用双端口RAM芯片提供的信号量仲裁，每个存储块都有一个信号量对应。处理机对双端口RAM操作时首先申请信号量获得对应区域的操作权限，否则表示另一端处理机正在操作相应的存储区域，此时必须等待对方释放信号量或放弃操作，以避免两端处理机发生读写冲突，如图2所示。
机载传感器系统可同时为所述的主、从飞行控制计算机提供无人机状态信息。如图1所示，系统电源监测电路、内置气压高度计、空速计、DGPS接收机、航姿传感器等作为所述飞行控制计算机的传感器系统。其中，所述的气压高度计和空速计输出模拟电压，如图3所示，与所述的主、从飞行控制计算机的AD模拟量输入接口相连，所述的气压高度计采用飞思卡尔公司生产的单片集成硅压力传感器MPXAZ6115A，为飞行控制系统提供气压高度信息；所述的空速计采用飞思卡尔公司生产的双口硅压力传感器MPXV5004G，为飞行控制系统提供指示空速和真空速信息。
所述DGPS接收机输出信息接口直接与所述的主、从飞行控制计算机内部LVTTL电平的串行通信接口的输入端相连，如图4所示，两者可同时接收DGPS接收机输出的定位信息，为飞行控制系统提供无人机位置、高度和速度信息，DGPS接收机的输入信息接口通过第一多路选择开关74ACT157MTC分别与所述的主、从飞行控制计算机内部LVTTL电平的串行通信接口的输出端相连，并根据第一多路选择开关的控制信号状态，接收主飞行控制计算机或从飞行控制计算机输出的差分帧信息。
所述航姿传感器作为SPI从机，通过第一多路选择开关74ACT157MTC分别与主、从飞行控制计算机的SPI接口相连，具体如图5所示，其中主飞行控制计算机的输出信号接口MOSI_L、SCK_L、PCS_L和从飞行控制计算机的输出信号接口MOSI_R、SCK_R、PCS_R分别与第一多路选择开关相连，并根据主飞行控制计算机的控制信号状态，选择主飞行控制计算机或从飞行控制计算机与航姿传感器的输入端口相连，主、从飞行控制计算机的输入信号接口MISO_L、MISO_R分别与航姿传感器的输出端相连，所述的航姿传感器采用Analog Device公司推出的ADIS16480惯性测量系统，为飞行控制系统提供无人机三轴欧拉角、三轴角速率和三轴加速度信息。
内部集成的机载无线通信模块，以实现主从飞行控制计算机和地面控制站之间的无线通信。其中，所述的无线通信模块选用MicroHard公司的N920 OEM板卡。所述无线通信模块N920通过RS232串行通信接口与所述主、从飞行控制计算机的内部串行通行接口相连。具体地，如图6所示，其中无线通信模块N920的输出接口通过电平转换芯片MAX3160分别与主、从飞行控制计算机内部LVTTL电平的串行通信接口的输入端相连，为主、从飞行控制计算机提供遥控指令信息；无线通信模块的输入接口通过电平转换芯片MAX3160与第一多路选择开关74ACT157MTC相连，并根据第一多路选择开关74ACT157MTC接收的控制信号状态，选择与主飞行控制计算机或从飞行控制计算机内部LVTTL电平的串行通信接口的输出端相连，接收主飞行控制计算机或从飞行控制计算机的遥测信息，并发送至地面控制系统。
当主和从飞行控制计算机均正常情况下，可选择主飞行控制计算机执行飞行控制功能，则从飞行控制计算机作为系统的接口，进行数据收发相关任务，两者通过双端口RAM进行数据通信，从飞行控制计算机将接收到接口数据通过双端口RAM发送给主飞行控制计算机，而主飞行控制计算机将需要发送的接口数据通过双端口RAM发送给从飞行控制计算机，由从飞行控制计算机通过接口发送给机载传感器系统或无线通讯模块。所述机载传感器系统和无线通信模块通过第一多路选择开关74ACT157MTC分别与主、从飞行控制计算机相连，正常情况下，由主飞行控制计算机控制第一多路选择开关74ACT157MTC连接于从飞行控制计算机，建立数据通信通道，从飞行控制计算机通过数据通信通道接收所述机载传感器系统传输的无人机状态信息和无线通讯模块传输的无线控制指令，及对其进行解码，由此执行数据接收和发送任务。从飞行控制计算机通过双端口RAM将解码后的无人机状态信息和无线控制指令发送至主飞行控制计算机，主飞行控制计算机根据解码后的无人机状态信息和无线控制指令进行计算，获得和输出用于控制执行机构飞行的控制信号。
当从飞行控制计算机故障时，主飞行控制计算机接管从飞行控制计算机中的接口数据收发任务，并通过控制信号切换第一多路选择开关，使得主飞行控制计算机通过第一选择开关与机载传感器系统和无线通信模块分别连接，获得系统输入输出控制权。由正常工作的飞行控制计算机接收和解码所述机载传感器系统传输的无人机状态信息和无线通讯模块传输的无线控制指令，并根据解码后的无人机状态信息、无线控制指令和所接收发生故障的飞行控制计算机的传输数据进行计算，获得和输出用于控制执行机构飞行的控制信号。这样使得从飞行控制计算机故障时，飞行控制系统仍可实现对传感器信息的采集，继续提供飞行控制和飞行管理功能，实现系统容错功能，提高了系统的可靠性。
所述主、从飞行控制计算机均可输出无人机执行机构控制信号，根据主从飞行控制计算机正常和故障情况进行选择，所述主、从飞行控制计算机的控制信号输出同时经过第二多路选择开关进行信息选择后输出，以实现控制信号通道的切换，以确保无人机中飞行控制计算机拥有控制输出权限。所述多路选择开关选择74ACT157MTC芯片4通道双路选择开关，所述多路选择开关的控制信号均由主飞行控制计算机的通用输入输出端口MPIO32B3控制，根据主飞行控制计算机的控制信号的高低电平，控制第二多路开关输出主或从飞行控制计算机的控制信号。由此，在硬件设计上，其控制输出信号可由用户自主配置和选择，也可将主、从飞行控制计算机的控制输出信号通过第二多路选择开关74ACT157选择输出，实现双处理机冗余模式下的容错控制。
其主、从飞行控制计算机的PWM信号接口和DA信号接口分为两种类型，一种是计算机的PWM和DA信号与第二多路选择开关相连，作为飞行控制计算机的控制输出，每个处理器预留8路PWM接口和8路DA接口与第二多路选择开关相连，用户可根据舵机的控制信号需求，自由选择PWM信号或DA信号经过第二多路选择开关输出；另一种是计算机未经过第二多路选择开关的PWM和DA信号接口，每个计算机包含12路PWM接口和8路DA接口，可作为通用的输出接口与外部机载传感器系统、无线通信模块相连，如图7所示。
本发明可根据用户需求选择PWM信号或DA信号作为控制输出信号，以控制具有特定输入信号需求的舵机，提高所述飞行控制计算机的通用性。主、从处理机均提供了模拟量输出通道和PWM输出通道，可实现对一般小型无人机执行机构的控制。
在双核飞行控制计算机中，其主、从飞行控制计算机还包括复位引脚和GPIO信号接口，如图8所示，所述复位引脚连接对方飞行控制计算机的GPIO信号接口，即分别通过一路GPIO信号与对方的系统复位引脚RESET相连，所述主、从飞行控制计算机均可通过GPIO信号接口的输出信号使对方复位重启，可保障飞行控制计算机在软件失控情况下，能够复位重启，以及当某一处理机故障时，可由正常飞行控制计算机实现对故障飞行控制计算机的重启。
在所述通用小型无人机双核飞行控制计算机的基础上，本发明还提出了一种通用小型无人机双核飞行控制方法，该方法基于主和从飞行控制计算机，包括以下步骤：
利用主和从飞行控制计算机互相发送心跳检测信号，根据心跳检测信号判断主和从飞行控制计算机是否存在故障：
当主和从飞行控制计算机均正常情况下，双机工作于主从负荷分担模式，即：从飞行控制计算机接收和解码无人机状态信息和无线控制指令，及将解码后的无人机状态信息和无线控制指令发送；由主飞行控制计算机根据解码后的无人机状态信息和无线控制指令进行计算，获得和输出用于控制执行机构飞行的控制信号；
当主和从飞行控制计算机中任一个发生故障时，工作于独立分担模式，即：由正常工作的飞行控制计算机接收和解码无人机状态信息和无线控制指令，并根据解码后的无人机状态信息、无线控制指令和所接收发生故障的飞行控制计算机的传输数据进行计算，获得和输出用于控制执行机构飞行的控制信号。
优选地，本方法中主从负荷分担模式和独立分担模式下，所述输出的控制信号为PWM信号或DA信号。以及，在本发明的方法中，所述工作于独立分担模式下还包括正常工作的飞行控制计算机向发生故障的飞行控制计算机发送复位信号。
本方法在系统正常运行时，双机可工作于主从负荷分担模式，分别承担部分飞行控制和飞行管理任务；当其中一个飞行控制计算机发生故障时，正常运行的飞行控制计算机接管全部飞行控制和飞行管理任务，保障系统不间断运行。
综上，本发明的通用小型无人机双核飞行控制计算机及控制方法，通过增加冗余飞行控制计算机模块，双飞行控制计算机通过双端口RAM实现信息交互，及扩展系统接口资源，利用增加飞行控制计算机外围接口资源数量，使其满足多数小型无人机资源配置要求；同时降低单飞行控制计算机运行负荷，提高飞行控制系统可靠性。双核飞行控制计算机运算速度快，数据吞吐量大，可靠性高，外部接口资源丰富，并且体积小、重量轻，可满足一般小型无人机飞行控制需求。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (8)
1.一种通用小型无人机双核飞行控制计算机，包括机载传感器系统、无线通信模块、主飞行控制计算机，其特征在于，还包括从飞行控制计算机、双端口RAM、第一及第二多路选择开关；所述机载传感器系统，用于获取无人机状态信息；所述无线通信模块，用于接收和发送无线控制指令；所述双端口RAM，用于主和从飞行控制计算机之间数据直接传输；所述主和从飞行控制计算机之间通过CAN总线互相发送心跳检测信号，根据心跳检测信号判断主和从飞行控制计算机是否存在故障，及根据判断结果控制第一多路选择开关将机载传感器系统、无线通信模块连接于主或从飞行控制计算机，由主或从飞行控制计算机根据接收和解码的无人机状态信息和无线控制指令计算获得控制信号；并根据判断结果控制第二多路选择开关将主或从飞行控制计算机所获得控制信号输出，以使得主和从飞行控制计算机工作于主从负荷分担模式或独立分担模式。
2.根据权利要求1所述通用小型无人机双核飞行控制计算机，其特征在于：所述主从负荷分担模式下，由从飞行控制计算机获取和解码无人机状态信息及无线控制指令，并通过双端口RAM将解码后的无人机状态信息和无线控制指令发送至主飞行控制计算机，由主飞行控制计算机计算获得控制信号。
3.根据权利要求1所述通用小型无人机双核飞行控制计算机，其特征在于：所述主和从飞行控制计算机还包括用于与外部设备建立连接的数据扩展接口。
4.根据权利要求1所述通用小型无人机双核飞行控制计算机，其特征在于：所述主和从飞行控制计算机还包括复位引脚和GPIO信号接口，所述复位引脚连接对方飞行控制计算机的GPIO信号接口。
5.根据权利要求1所述通用小型无人机双核飞行控制计算机，其特征在于：所述机载传感器系统包括气压高度计、空速计、航姿传感器、DGPS接收机。
6.一种通用小型无人机双核飞行控制方法，其特征在于，该方法基于主和从飞行控制计算机，包括以下步骤：
利用主和从飞行控制计算机互相发送心跳检测信号，根据心跳检测信号判断主和从飞行控制计算机是否存在故障：
当主和从飞行控制计算机均正常情况下，双机工作于主从负荷分担模式，即：从飞行控制计算机接收和解码无人机状态信息和无线控制指令，及将解码后的无人机状态信息和无线控制指令发送；由主飞行控制计算机根据解码后的无人机状态信息和无线控制指令进行计算，获得和输出用于控制执行机构飞行的控制信号；
当主和从飞行控制计算机中任一个发生故障时，工作于独立分担模式，即：由正常工作的飞行控制计算机接收和解码无人机状态信息及无线控制指令，并根据解码后的无人机状态信息、无线控制指令和所接收发生故障的飞行控制计算机的传输数据进行计算，获得和输出用于控制执行机构飞行的控制信号。
7.根据权利要求6所述基于通用小型无人机双核飞行控制方法，其特征在于：所述主从负荷分担模式和独立分担模式下，输出的控制信号为PWM信号或DA信号。
8.根据权利要求6所述基于通用小型无人机双核飞行控制方法，其特征在于：所述工作于独立分担模式下还包括正常工作的飞行控制计算机向发生故障的飞行控制计算机发送复位信号。
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Application publication date: 20160817 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |