CN107092211A - 一种基于arm的双冗余无人船船载控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于ARM的双冗余无人船船载控制系统和方法，包括信息采集系统、第一仲裁切换系统、第二仲裁切换系统、执行机构、第一ARM处理器、第二ARM处理器、通信系统和电源。2个ARM处理器实现任务级同步，所有传感器均做双冗余设计，将两路传感器数据同时传入两个ARM处理器进行比较，取正确的数据分别进行任务运算，在任务运算中设置比较点，对相应的数据进行一致性判断，若不一致，仲裁切换系统对两个ARM处理器进行故障诊断，隔离故障ARM处理器，同时选择正常运行的ARM处理器控制输出。本发明以硬件冗余为基础，软件冗余、信息冗余和时间冗余为辅，有效地提高了无人船船载控制系统的可靠性、稳定性及安全性，保证无人船安全稳定航行，顺利完成各种复杂任务。

Description

一种基于ARM的双冗余无人船船载控制系统和方法

技术领域

本发明属于计算机通信及自动化领域，尤其涉及一种基于ARM的双冗余无人船船载控制系统和方法。

背景技术

无人船是一种具有自主规划、自主航行能力，并可自主完成环境感知、目标探测等任务的小型水面平台。相对于无人机，对无人船的研究起步较晚，但是其发展迅速。无人船的研究对于水文监测、军事侦察打击等应用具有重要作用。目前已有许多国家在无人船的研究方面取得卓越成果。例如美国“斯巴达侦察兵”无人船、以色列“保护者”无人船、我国“天象一号”无人船等。

随着无人船的应用逐步扩大，以及无人船所应用的环境越来越复杂，所完成的任务也越来越艰巨，对无人船的可靠性、稳定性及安全性提出了更高的要求。无人船船载控制系统作为无人船控制系统的核心部分，负责完成船载传感器数据的采集、数据处理、控制律的解算、自主航行及自主避障等多重任务，其可靠性和安全性直接影响到无人船的性能。且无人船控制系统一旦发生故障，极有可能导致无人船无法收回甚至无法找回，造成很大损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，对无人船的船载控制系统的船载传感器、无线数传电台以及处理器做双冗余设计，建立以硬件冗余为基础，软件冗余、信息冗余和时间冗余为辅的容错体系结构，通过仲裁切换系统进行故障诊断、故障隔离以及系统动态重构，有效地提高了无人船船载控制系统的可靠性、稳定性及安全性，保证无人船安全稳定航行，顺利完成各种复杂任务。

为实现这一目的，本发明提出了一种基于ARM的双冗余无人船船载控制系统，包括信息采集系统、第一仲裁切换系统、第二仲裁切换系统、执行机构、第一ARM处理器、第二ARM处理器、通信系统和电源；第一ARM处理器、第二ARM处理器之间通过SPI总线相连；

所述的信息采集系统包括两个相同的采集单元；两个采集单元的输出与第一仲裁切换系统的输入相连；第一仲裁切换系统的输出分别与第一ARM处理器、第二ARM处理器相连，第一ARM处理器、第二ARM处理器相连的输出与第二仲裁切换系统的输入相连，第二仲裁切换系统的输出与执行机构相连，所述的第一ARM处理器、第二ARM处理器通过通信系统与岸端控制中心通信，电源为设备供电。

优选的，所述的采集单元包括：

GPS传感器，采集当前无人船船的位置信息；

激光雷达传感器，采集障碍物的距离及方位信息；

电压检测传感器，实时监测电源电量，并在低电压时发出警报。

优选的，所述的执行机构包括电调、电机和舵机。

优选的，所述的通信系统为3个无线数传电台；所述的岸端控制中心、第一ARM处理器和第二ARM处理器分别配置1个无线数传电台；所述无线数传电台均配置增益天线。

本发明还公开了一种所述系统的基于ARM的双冗余无人船船载控制方法：

信息采集系统的两个的采集单元分别采集当前无人船船的位置信息、电源电量信息和障碍物信息，并将采集信息分别发送给第一仲裁切换系统；

第一仲裁切换系统按如下方法工作：第一仲裁切换系统首先判断两个采集单元所传回的相同类型传感器的数据差值是否超出设定误差范围；若超出误差范围，则选择当前数据与上一次采集数据比较差值较小者为该类型信息的当前检测值，并认定差值较大者所对应的传感器发生故障，进行隔离；若未超出误差范围，则读取两个传感器数据的平均值；

第一仲裁切换系统将选择的信号输出给第一ARM处理器、第二ARM处理器独立进行处理；

第二仲裁切换系统按如下方法工作：第二仲裁切换系统对两个处理器的数据进行一致性比较，当第一ARM处理器、第二ARM处理器在任务运算处理中数据不一致时，两个处理器进行自检，即对给定已知测试指令，能正确执行并得到正确结果的处理器认为正常，否则认为发生故障，进行隔离；当处理器的看门狗发出中断信号时，处理器也认为故障进行隔离，第二仲裁切换系统选择正常工作的处理器的处理结果；当第一ARM处理器、第二ARM处理器均正常工作时，第一ARM处理器优先于第二ARM处理器，即第二仲裁切换系统选择第一ARM处理器的处理结果；

执行机构根据第二仲裁切换系统所选择的处理器的运算处理结果执行目标航线追踪和障碍物躲避，即被第二仲裁切换系统选择的处理器从GPS模块中得到无人船的实时位置及航向信息，将其与目标位置进行比较，通过改变电机及舵机的PWM值来追踪目标航线；被第二仲裁切换系统选择的处理器从激光雷达中得到障碍物的距离及方位，结合无人船的实时位置及航向，通过改变电机及舵机的PWM值来躲避障碍物。当有障碍物时，优先躲避障碍物后，再追踪目标航线。

优选的，所述第一ARM处理器、第二ARM处理器通过无线数传电台接收岸端控制中心的指令，并各自独立地进行任务处理；第二仲裁切换系统从两个处理器的输出结果中选择正确且优先级较高的输出结果作为执行机构的支配指令，且第二仲裁切换系统从两个处理器中选择正确的无人船的状态信息，并通过无线数传电台传回岸端控制中心。

优选的，隔离故障的传感器之后，只读取正确的传感器的数据，若两个传感器均故障，则同时隔离并上报岸端控制中心；若第一ARM处理器故障，则由第二ARM处理器控制输出，若第二ARM处理器故障，第一ARM处理器正常控制输出，其中，任一处理器故障后，均转为单处理器工作模式，若两个处理器均故障，则系统无法正常工作。

优选的，所述第一ARM处理器的优先级高于第二ARM处理器，当两个处理器均无故障时，由第一ARM处理器控制输出，且第一ARM处理器通过SPI总线访问读取第二ARM处理器的数据。

优选的，所述状态信息包括无人船的当前位置、当前航向、当前航速、障碍物的方位及距离、电池电压以及各传感器及处理器的故障情况。

本发明公开的一种基于ARM的双冗余无人船船载控制系统设计，对无人船的船载控制系统的船载传感器、无线数传电台以及处理器做双冗余设计，建立以硬件冗余为基础，软件冗余、信息冗余和时间冗余为辅的容错体系结构，通过准确地故障诊断定位、及时地故障隔离以及系统动态重构，有效地提高了无人船船载控制系统的可靠性、稳定性及安全性，保证无人船安全稳定航行，顺利完成各种复杂任务。

附图说明

图1为双冗余无人船船载控制模型结构图。

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详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于ARM的双冗余无人船船载控制系统设计的示意图。

具体地，一种基于ARM的双冗余无人船船载控制系统设计，包括：信息采集系统、第一仲裁切换系统、第二仲裁切换系统、执行机构、第一ARM处理器、第二ARM处理器、通信系统和电源。所述的信息采集系统包括两个相同的采集单元；两个采集单元的输出与第一仲裁切换系统的输入相连；第一仲裁切换系统的输出分别与第一ARM处理器、第二ARM处理器相连，第一ARM处理器、第二ARM处理器相连的输出与第二仲裁切换系统的输入相连，第二仲裁切换系统的输出与执行机构相连，所述的第二仲裁切换系统选择的正确处理器通过通信系统与岸端控制中心通信，电源为设备供电。

在本实施例中用2个ARM处理器A、B分别代替第一ARM处理器、第二ARM处理器进行说明；2个ARM处理器A、B实现任务级同步，所有传感器均做双冗余设计，将两路传感器数据同时传入两个ARM处理器A、B进行比较，取正确的数据分别进行任务运算，在任务运算中设置比较点，对相应的数据进行一致性判断，若不一致，仲裁切换系统对A、B两个ARM处理器进行故障诊断，隔离故障ARM处理器，同时选择正常运行的ARM处理器控制输出。

ARM处理器是整个控制系统的核心，控制整个系统正常运作，接收岸端控制中心的指令以及发出对执行机构的支配指令，并将无人船的状态信息通过无线数传电台传回岸端控制中心。具体地，所述ARM处理器采用的是基于ARM架构的STM32F407开发板，串口、IO口资源丰富，含1个256字节的EEPROM芯片，并外扩1M字节SRAM和16M字节FLASH，满足大内存需求和大数据存储，带浮点运算，适合大规模的数字信号处理。

信息采集系统负责采集各种数据信息，并将这些信息交给ARM处理器进行处理，包括两个采集单元，总计GPS传感器2个、激光雷达传感器2个、电压检测传感器2个。具体地，GPS传感器采用NEO-6M GPS模块，通过串口与STM32F407开发板连接，STM32F407开发板提取GPS模块中的位置、航向、航速信息；激光雷达传感器采用LIDAR NEO-02，通过串口与STM32F407开发板连接，STM32F407开发板从中读取障碍物的距离及相对方位信息；电压检测传感器通过IO口连接STM32F407开发板，STM32F407开发板由A/D转换通道读取电源电压值。

本发明的无人船具备自主导航功能和自主避障功能。

自主导航功能主要用于让无人船按照既定路线自主航行，根据STM32F407开发板得到的无人船实时位置及航向信息，将其与目标位置进行比较，通过改变电机及舵机的PWM值来追踪目标航线。

自主避障功能主要用于无人船在航行途中能准确无误及时地躲避障碍，根据STM32F407开发板得到的障碍物的距离及方位，结合无人船的实时位置及航向，通过改变电机及舵机的PWM值来躲避障碍物。

电池电压检测系统实时监测电源情况，在低电压时，发出警报。

通信系统用于无人船与岸端控制中心的数据传输，包括无线数传电台3个，1个连接岸端控制中心，2个分别连接A、B两个ARM处理器；所述无线数传电台配置高增益天线，采用的是DIGI XTend 900MHz模块，最远传输距离可达64Km。

仲裁切换系统包括第一仲裁切换系统和第二仲裁切换系统，主要用于故障诊断、故障隔离以及系统动态重构：具体地，当相同传感器所传回数据的差值超出误差范围时，传感器的当前数据与上一次数据比较差值较大者为故障，若两个传感器所传回数据均不正常时，则同时故障，当A、B两个处理器在任务运算中所比较数据不一致时，A、B两个处理器进行自检，对给定已知测试指令，能正确执行并得到正确结果，则处理器正常，否则故障，且当处理器的看门狗发出中断信号时，处理器也为故障。故障诊断定位后，立即对故障的传感器及处理器进行隔离。之后，只读取正确的传感器的数据，若两个传感器均故障，则同时隔离并上报岸端控制中心；若处理器A故障，则由处理器B控制输出，若处理器B故障，处理器A正常控制输出，其中，任一处理器故障后，均转为单处理器工作模式，若两个处理器均故障，则系统无法正常工作。

进一步地，当两个相同传感器均均无故障时，读取其数据的平均值。

进一步地，所述处理器A的优先级高于处理器B，当处理器A、B均无故障时，由处理器A控制输出，且处理器A通过SPI总线与处理器B的通信。

具体地，所述执行机构为好盈1060防水有刷电调、550电机、银燕20KG舵机。

具体地，所述状态信息包括无人船的当前位置、当前航向、当前航速、障碍物的方位及距离、电池电压以及各传感器及处理器的故障情况。

本发明公开的一种基于ARM的双冗余无人船船载控制系统，对无人船的船载控制系统的船载传感器、无线数传电台以及处理器做双冗余设计，建立以硬件冗余为基础，软件冗余、信息冗余和时间冗余为辅的容错体系结构，通过准确地故障诊断定位、及时地故障隔离以及系统动态重构，有效地提高了无人船船载控制系统的可靠性、稳定性及安全性，保证无人船安全稳定航行，顺利完成各种复杂任务。

Claims (9)

1.一种基于ARM的双冗余无人船船载控制系统，其特征在于，包括信息采集系统、第一仲裁切换系统、第二仲裁切换系统、执行机构、第一ARM处理器、第二ARM处理器、通信系统和电源，第一ARM处理器、第二ARM处理器之间通过SPI总线相连；

所述的信息采集系统包括两个相同的采集单元；两个采集单元的输出与第一仲裁切换系统的输入相连；第一仲裁切换系统的输出分别与第一ARM处理器、第二ARM处理器相连，第一ARM处理器、第二ARM处理器的输出与第二仲裁切换系统的输入相连，第二仲裁切换系统的输出与执行机构相连，所述的第一ARM处理器、第二ARM处理器通过通信系统与岸端控制中心通信，电源为设备供电。

2.根据权利要求1所述的基于ARM的双冗余无人船船载控制系统，其特征在于所述的采集单元包括：

GPS传感器，采集当前无人船船的位置信息；

激光雷达传感器，采集障碍物的距离及方位信息；

电压检测传感器，实时监测电源电量，并在低电压时发出警报。

3.根据权利要求1所述的基于ARM的双冗余无人船船载控制系统，其特征在于所述的执行机构包括电调、电机和舵机。

4.根据权利要求1所述的基于ARM的双冗余无人船船载控制系统，其特征在于所述的通信系统为3个无线数传电台；所述的岸端控制中心、第一ARM处理器和第二ARM处理器分别配置1个无线数传电台；所述无线数传电台均配置增益天线。

5.一种如权利要求1所述系统的基于ARM的双冗余无人船船载控制方法，其特征在于：

信息采集系统的两个的采集单元分别采集当前无人船的位置信息、电源电量信息和障碍物信息，并将采集信息分别发送给第一仲裁切换系统；

第一仲裁切换系统按如下方法工作：第一仲裁切换系统首先判断两个采集单元所传回的相同类型传感器的数据差值是否超出设定误差范围；若超出误差范围，则选择当前数据与上一次采集数据比较差值较小者为该类型信息的当前检测值，并认定差值较大者所对应的传感器发生故障，进行隔离；若未超出误差范围，则读取两个传感器数据的平均值；

第一仲裁切换系统将选择的信号输出给第一ARM处理器、第二ARM处理器独立进行处理；

第二仲裁切换系统按如下方法工作：第二仲裁切换系统对两个处理器的数据进行一致性比较，当第一ARM处理器、第二ARM处理器在任务运算处理中数据不一致时，两个处理器进行自检，即对给定已知测试指令，能正确执行并得到正确结果的处理器认为正常，否则认为发生故障，进行隔离；当处理器的看门狗发出中断信号时，处理器也认为故障进行隔离，第二仲裁切换系统选择正常工作的处理器的处理结果；当第一ARM处理器、第二ARM处理器均正常工作时，第一ARM处理器优先于第二ARM处理器，即第二仲裁切换系统选择第一ARM处理器的处理结果作为发送给执行机构的结果；

执行机构根据第二仲裁切换系统所选择的处理结果执行目标航线追踪和障碍物躲避，即被第二仲裁切换系统选择的处理器从GPS模块中得到无人船的实时位置及航向信息，将其与目标位置进行比较，通过改变电机及舵机的PWM值来追踪目标航线；被第二仲裁切换系统选择的处理器从激光雷达中得到障碍物的距离及方位，结合无人船的实时位置及航向，通过改变电机及舵机的PWM值来躲避障碍物；当有障碍物时，优先躲避障碍物后，再追踪目标航线。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一ARM处理器、第二ARM处理器通过无线数传电台接收岸端控制中心的指令，并各自独立地进行任务处理；第二仲裁切换系统从两个处理器的输出结果中选择正确且优先级较高的输出结果作为执行机构的支配指令，且第二仲裁切换系统从两个处理器中选择正确的无人船的状态信息，并通过无线数传电台传回岸端控制中心。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，隔离故障的传感器之后，只读取正确的传感器的数据，若两个传感器均故障，则同时隔离并上报岸端控制中心；若第一ARM处理器故障，则由第二ARM处理器控制输出，若第二ARM处理器故障，第一ARM处理器正常控制输出，其中，任一处理器故障后，均转为单处理器工作模式，若两个处理器均故障，则系统无法正常工作。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一ARM处理器的优先级高于第二ARM处理器，当两个处理器均无故障时，由第一ARM处理器控制输出，且第一ARM处理器通过SPI总线访问读取第二ARM处理器的数据。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述状态信息包括无人船的当前位置、当前航向、当前航速、障碍物的方位及距离、电池电压以及各传感器及处理器的故障情况。