CN108107910B - 一种基于分布式多余度总线的无人机飞控系统及飞控方法 - Google Patents
一种基于分布式多余度总线的无人机飞控系统及飞控方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于分布式多余度总线的无人机飞控系统及飞控方法，其中，每个GPS、IMU和气压高度计均连接到总线上，实时将测量数据封装到数据包中并传到总线上；每个飞控计算机实时接收总线上承载的采集设备传输的数据包；每个飞控计算机通过线路分别与其余的飞控计算机和作动控制器相连，用以将载有自己计算得到的飞行参数的数据包传给其余的飞控计算机；将自己计算得到的飞行参数封装到数据包中传输给作动控制器；该数据包包括：设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位。本发明通过分布式多余度总线配置多个飞控计算机和采集设备并行协调工作，使得本发明具备更强的容错能力，提高了无人机飞行的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及无人机领域，尤其是涉及一种基于分布式多余度总线的无人机飞控系统及飞控方法。
背景技术
无人驾驶飞机简称无人机(Unmanned Aerial Vehicle，简称UAV)，是一种利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。随着无人机技术的快速发展，无人机已经被广泛应用于城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等民用行业。
通常无人机包括作动控制器、飞控计算机和采集设备，如IMU(Inertialmeasurement unit，惯性测量单元)、GPS、高度测量模块(如气压计、超声波测距、雷达测距)等。IMU、GPS、高度测量模块分别将测量数据传给飞控计算机，飞控计算机利用这些测量参数进行计算，并根据计算结果得到飞行参数，作动控制器利用这些飞行参数控制无人机的飞行。
为了提高无人机飞行的可靠性，有些科研人员将与飞控计算机相连的IMU、GPS、高度测量模块均升级为三套，以便当其中一组数据失效后，可以利用其余的数据来控制无人机的飞行。
但是，如果无人机配置有多个飞控计算机，按照这种方法来配置IMU、GPS、高度测量模块等，势必会使无人机的重量大大增加，为了承载更多的重量，也需要增加无人机的动力系统，这不仅会增加无人机的成本，而且与无人机的轻量化发展相违背。
另外，现有配置有多个飞控计算机的无人机，都是将其中一个飞控计算机设置为主飞控计算机，处于运行状态；其余飞控计算机作为辅助飞控计算机，均处于备份状态。每个飞控计算机都通过独立的两个通道接收采集设备的数据以及地面基站的数据。只有当主飞控计算机出现故障时，才将其中的辅助飞控计算机切换为主飞控计算机来执行任务。然而在主辅飞控计算机切换过程中，无人机的飞行容易失去控制，导致无人机安全性能降低。
发明内容
本发明的目的是针对目前存在的问题，提供一种基于分布式多余度总线的无人机飞控系统及飞控方法，通过本发明，当增加飞控计算机数量时，依然可以利用原有的三套测量设备采集数据，不仅结构简单，而且可以通过配置的多个飞控计算机并行协调地工作，使得本发明具备更强的容错能力，因此能够提高无人机飞行的可靠性。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
本发明的目的是提供一种基于分布式多余度总线的无人机飞控方法，其包括：
步骤S101，总线上承载着每个采集设备传输的数据包；传送的数据包均包括：设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；其数据类型部分包括来自每个GPS采集的卫星数据、每个IMU采集的测量数据或每个气压高度计测量的无人机的飞行海拔高度；
步骤S102，每个飞控计算机实时接收来自总线上承载的每个采集设备传输的数据包；每个飞控计算机针对当前时刻接收到的数据包进行解析，获得设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；
步骤S104，每个飞控计算机依据处于健康状态采集设备的数据包进行计算，根据计算结果得到相应的飞行参数，同时每个飞控计算机将自身得到的飞行参数封装到数据包中，该数据包包括：设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；将该数据包传给其余飞控计算机用于数据比对；同时每个飞控计算机将接收到的其余飞控计算机传输的数据包进行解析，获得对应的飞行参数，并将其与自身计算的飞行参数进行比对，并根据比对结果做表决，如果比对结果一致，则确认自身设备健康，并传输数据包给作动控制器；
步骤S105，作动控制器实时接收飞控计算机传来的数据包后，对当前时刻接收到的数据包进行解析并通过校验位验证飞行参数正确后，利用该飞行参数控制无人机的飞行；并丢弃当前时刻以后其余飞控计算机传来的同种数据类型标签对应的数据包。
更优选地，所述的无人机飞控方法还包括：
步骤S103，每个飞控计算机根据数据包中的设备ID标识识别出数据包的设备来源，将数据类型标签相同的数据进行比对，根据比对结果进行表决来识别每个采集设备的健康状态。
更优选地，所述步骤S103中识别每个采集设备的健康状态的过程，具体包括：
每个飞控计算机若发现数据类型标签相同的数据比对结果一致，则确定各个采集设备均处于健康状态；若其中一个采集设备与其它采集设备的数据不一致，则确定该数据包中的设备ID标识对应的设备出现了故障并静默该设备。
更优选地，所述步骤S104还包括：
每个飞控计算机根据比对结果发现自身设备的数据与其余飞控计算机的数据不一致，则确认自身设备出现了故障，则静默自身设备等待维修或替换。
本发明还提供一种基于分布式多余度总线的无人机飞控系统，其包括：
多个GPS、多个IMU、多个气压高度计、多个飞控计算机和一个作动控制器；
多个GPS、多个IMU、多个气压高度计安置在无人机上的；每个GPS、IMU和气压高度计均连接到总线上，实时将测量得到的测量数据封装到数据包中并传到总线上；
每个飞控计算机的输入端均与总线连接，实时接收总线上承载的GPS、IMU和多个气压高度计传输的数据包；每个飞控计算机的输出端为两个，其中一个输出端通过线路分别与其余的飞控计算机相连，用以将载有自己计算得到的飞行参数的数据包传给其余的飞控计算机；另一个输出端与作动控制器相连，用以将自己计算得到的飞行参数封装到数据包中传输给作动控制器；
所述数据包均包括：设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位。
更优选地，所述总线包括总线Ⅰ和总线Ⅱ。
更优选地，所述飞控计算机包括：
计算模块，用于依据处于健康状态采集设备的数据包进行计算，根据计算结果得到相应的飞行参数；
数据封装及解析模块，用于将自身得到的飞行参数封装到数据包中，该数据包包括：设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；并将接收到的其余飞控计算机传输的数据包进行解析，获得对应的设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；
第一传输模块，用于传输自身封装的数据包给其余飞控计算机，并接收其余飞控计算机传来的数据包给所述数据封装及解析模块；
健康识别模块，将解析得到的其余飞控计算机的飞行参数与自身计算的飞行参数进行比对，并根据比对结果做表决，如果比对结果一致，则确认自身设备健康；
第二传输模块，用于将所述健康识别模块比对结果一致的飞行参数传输给所述数据封装及解析模块以封装到数据包中，并将数据包传给作动控制器。
由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下技术效果：
1、本发明利用总线承载IMU、GPS、气压高度计采集到的数据，实现了多个飞控计算机共享这些数据，因此不会随着飞控计算机数量的增加来增加IMU、GPS、气压高度计的数量，这样配置不仅使得无人机的结构简单，还有效增加了飞控计算机的可扩展性和灵活性，并且能够满足无人机的轻量化发展要求。
2、本发明通过余度设计配置多个飞控计算机并行协调地工作，使得本发明具备更强的容错能力，当其中一个飞控计算机出现故障时，不需要任何切换过程，作动控制器直接利用其余的飞控计算机传输的数据来控制无人机的飞行，因此本发明大大提高了无人机飞行的可靠性。
3、本发明利用总线承载IMU、GPS、气压高度计采集到的数据，可以使每台设备利用总线上传输的其余设备的数据进行比对，以便实现自身健康检查，更进一步地保证了整个无人机运行的可靠性，增强了无人机飞控系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例一结构的原理框图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
实施例一：
本发明实施例一提供一种基于分布式多余度总线的无人机飞控系统，其结构如图1所示，包括：作动控制器、三个飞控计算机(记为飞控计算机Ⅰ、飞控计算机Ⅱ、飞控计算机Ⅲ)、三个GPS(记为GPSⅠ、GPSⅡ、GPSⅢ)、三个IMU(记为IMUⅠ、IMUⅡ和IMUⅢ)和三个气压高度计(记为气压高度计Ⅰ、气压高度计Ⅱ和气压高度计Ⅲ)。
三个GPS、三个IMU和三个气压高度计分别连接到总线上，以将采集到的数据封装到数据包中传到总线上；每个飞控计算机均接收总线传输的数据包，根据数据包中的设备ID标识识别出数据包来自哪个设备，将不同设备且数据类型标签相同的数据进行比对，根据比对结果进行表决，来识别采集设备(三个GPS、三个IMU和三个气压高度)的健康状态；并依据处于健康状态采集设备的数据包进行运算，并将经运算获得的飞行参数传输给其它飞控计算机；每个飞控计算机同时接收其它飞控计算机传输的飞行参数，并与飞控计算机自身计算得到的飞行参数进行比对，将比对一致的飞行参数传给作动控制器用于控制无人机的飞行。
下面详细介绍各个设备的功能，具体如下：
三个GPS(Global Positioning System，全球定位系统)安置在无人机上，分别接收卫星数据，并将接收到的卫星数据封装到数据包中传到总线上，每个GPS传送的数据包均包括：设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位。
三个IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)安置在无人机上，用于感测追踪无人机在空中的姿态和运动状态。每个IMU均由陀螺仪、加速度计等惯性器件组成，以采集到最原始的测量数据，如加速度、角速度等测量数据，并将该测量数据封装到数据包中传给总线，每个IMU传送的数据包均包括：设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位。
三个气压高度计安置在无人机上，每个气压高度计利用气压与高度的关系，通过观测气压来测量无人机的飞行海拔高度(又称绝对高度)，并将测得的飞行海拔高度封装到数据包中传到总线上。每个气压高度计传送的数据包均包括：设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位。
总线为两条，分别为总线Ⅰ和总线Ⅱ。每条总线上均载有三个GPS和三个IMU和三个气压高度计传送的数据包。通过设计两条总线，可以进一步增强系统的容错能力。
每个飞控计算机的输入端均与总线相接，实时接收来自总线上的数据包。每个飞控计算机的输出端为两个，其中一个输出端通过线路分别与其余的飞控计算机相连，用以将自己计算得到的飞行参数传给其余的飞控计算机；另一个输出端与作动控制器相连，用以将自己计算得到的飞行参数传输给作动控制器。
每个飞控计算机针对当前时刻接收到的数据包进行解析，获得设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；根据数据包中的设备ID标识识别出数据包来自哪个设备，将数据类型标签相同的数据进行比对，根据比对结果进行表决来识别采集设备(三个GPS、三个IMU和三个气压高度)的健康状态；若数据类型标签相同的数据比对结果一致，则确定各个采集设备均处于健康状态；若其中一个采集设备与其它采集设备的数据不一致，则确定该数据包中的设备ID标识对应的设备出现了故障并静默该设备。
每个飞控计算机依据处于健康状态采集设备的数据包进行计算，根据计算结果得到相应的飞行参数，包括：飞行姿态、飞行器位置、速度、高度等，同时每个飞控计算机将自身得到的飞行参数封装到数据包中，该数据包包括：设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；将该数据包传给其余两个飞控计算机用于数据比对；同时每个飞控计算机将接收到的其余飞控计算机传输的数据包进行解析，获得对应的飞行参数，并将其与自身计算的飞行参数进行比对，并根据比对结果做表决，如果比对结果一致，则确认自身设备健康，并传输数据包给作动控制器；若自身设备的数据与其余飞控计算机的数据不一致，则确认自身设备出现了故障，则静默自身设备等待维修或替换。
每个飞控计算机的功能具体通过如下模块完成：
计算模块，用于依据处于健康状态采集设备的数据包进行计算，根据计算结果得到相应的飞行参数；
数据封装及解析模块，用于将自身得到的飞行参数封装到数据包中，该数据包包括：设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；并将接收到的其余飞控计算机传输的数据包进行解析，获得对应的设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；
第一传输模块，用于传输自身封装的数据包给其余飞控计算机，并接收其余飞控计算机传来的数据包给所述数据封装及解析模块；
健康识别模块，将解析得到的其余飞控计算机的飞行参数与自身计算的飞行参数进行比对，并根据比对结果做表决，如果比对结果一致，则确认自身设备健康；
第二传输模块，用于将所述健康识别模块比对结果一致的飞行参数传输给所述数据封装及解析模块以封装到数据包中，并将数据包传给作动控制器。
作动控制器实时接收飞控计算机传来的数据包后，对当前时刻接收到的数据包进行解析并通过校验位验证飞行参数正确后，利用该飞行参数控制无人机的飞行；并丢弃当前时刻以后其余飞控计算机传来的同种数据类型标签对应的数据包。
由上述描述可以看出，上述实施例中的三个飞控计算机同时工作，没有主辅之分，每个飞控计算机都将自己的数据与其余飞控计算机的数据进行比对，只将确认为自身设备健康时才将数据传给作动控制器，因此提高了数据的精确度，使得无人机飞行更为可靠。
另外，每个飞控计算机经过数据比对后，传给作动控制器的数据是一致的，所以作动控制器只要在某一时刻接收到一个同种数据类型标签对应数据包并经验证正确后即可利用该数据，后续到达的同种数据类型标签对应的数据包均可以丢弃掉；当该时刻接收到的数据包出现错误时，作动控制器会继续接收下一时刻到达的同种数据类型标签对应的数据包，并不需要切换飞控计算机，因此更加提高了无人机飞控系统的稳定性。
上述实施例是以三个飞控计算机、三个GPS、三个IMU和三个气压高度计为例进行说明的，但是本发明并不局限于此，还可以是任意多个飞控计算机、GPS、IMU和气压高度计的组合。
实施例二：
本发明实施例二提供一种基于分布式多余度总线的无人机飞控方法，其包括：
步骤S101，总线上承载着每个采集设备传输的数据包；传送的数据包均包括：设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；其数据类型部分包括来自每个GPS采集的卫星数据、每个IMU采集的测量数据或每个气压高度计测量的无人机的飞行海拔高度；
步骤S102，每个飞控计算机实时接收来自总线上承载的每个采集设备传输的数据包；每个飞控计算机针对当前时刻接收到的数据包进行解析，获得设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；
步骤S103，每个飞控计算机根据数据包中的设备ID标识识别出数据包的设备来源，将数据类型标签相同的数据进行比对，根据比对结果进行表决来识别每个采集设备的健康状态。
步骤S103中每个飞控计算机若发现数据类型标签相同的数据比对结果一致，则确定各个采集设备均处于健康状态；若其中一个采集设备与其它采集设备的数据不一致，则确定该数据包中的设备ID标识对应的设备出现了故障并静默该设备。
步骤S104，每个飞控计算机依据处于健康状态采集设备的数据包进行计算，根据计算结果得到相应的飞行参数，同时每个飞控计算机将自身得到的飞行参数封装到数据包中，该数据包包括：设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；将该数据包传给其余飞控计算机用于数据比对；同时每个飞控计算机将接收到的其余飞控计算机传输的数据包进行解析，获得对应的飞行参数，并将其与自身计算的飞行参数进行比对，并根据比对结果做表决，如果比对结果一致，则确认自身设备健康，并传输数据包给作动控制器；
步骤S104中，若每个飞控计算机根据比对结果发现自身设备的数据与其余飞控计算机的数据不一致，则确认自身设备出现了故障，则静默自身设备等待维修或替换。
步骤S105，作动控制器实时接收飞控计算机传来的数据包后，对当前时刻接收到的数据包进行解析并通过校验位验证飞行参数正确后，利用该飞行参数控制无人机的飞行；并丢弃当前时刻以后其余飞控计算机传来的同种数据类型标签对应的数据包。
上述实施例二中，也可以没有步骤S103的过程，此情况下，每个飞控计算机的计算量会相对上述实施例二要大一些，但不会影响各个飞控计算机最终做出的表决，即传给作动控制器的最终数据。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (5)
1.一种基于分布式多余度总线的无人机飞控方法，其特征在于，所述无人机飞控方法包括：
步骤S101，总线上承载着每个采集设备传输的数据包供多个飞控计算机共享；所述采集设备包括：安置在无人机上的多个GPS、多个IMU和多个气压高度计；每个GPS、IMU和气压高度计均连接到总线上，实时将测量得到的测量数据封装到数据包中并传到总线上；传送的数据包均包括：设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；其数据类型部分包括来自每个GPS采集的卫星数据、每个IMU采集的测量数据或每个气压高度计测量的无人机的飞行海拔高度；
步骤S102，每个飞控计算机实时接收来自总线上承载的每个采集设备传输的数据包；每个飞控计算机针对当前时刻接收到的数据包进行解析，获得设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；
步骤S103，每个飞控计算机根据数据包中的设备ID标识识别出数据包的设备来源，将数据类型标签相同的数据进行比对，根据比对结果进行表决来识别每个采集设备的健康状态；
步骤S104，每个飞控计算机依据处于健康状态采集设备的数据包进行计算，根据计算结果得到相应的飞行参数，同时每个飞控计算机将自身得到的飞行参数封装到数据包中，该数据包包括：设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；将该数据包传给其余飞控计算机用于数据比对；同时每个飞控计算机将接收到的其余飞控计算机传输的数据包进行解析，获得对应的飞行参数，并将其与自身计算的飞行参数进行比对，并根据比对结果做表决，如果比对结果一致，则确认自身设备健康，并传输数据包给作动控制器；
步骤S105，作动控制器实时接收飞控计算机传来的数据包后，对当前时刻接收到的数据包进行解析并通过校验位验证飞行参数正确后，利用该飞行参数控制无人机的飞行；并丢弃当前时刻以后其余飞控计算机传来的同种数据类型标签对应的数据包。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式多余度总线的无人机飞控方法，其特征在于，所述步骤S103中识别每个采集设备的健康状态的过程，具体包括：
每个飞控计算机若发现数据类型标签相同的数据比对结果一致，则确定各个采集设备均处于健康状态；若其中一个采集设备与其它采集设备的数据不一致，则确定该数据包中的设备ID标识对应的设备出现了故障并静默该设备。
3.根据权利要求1所述的一种基于分布式多余度总线的无人机飞控方法，其特征在于，所述步骤S104还包括：
每个飞控计算机根据比对结果发现自身设备的数据与其余飞控计算机的数据不一致，则确认自身设备出现了故障，则静默自身设备等待维修或替换。
4.一种基于分布式多余度总线的无人机飞控系统，其特征在于，所述无人机飞控系统包括：
多个GPS、多个IMU、多个气压高度计、多个飞控计算机和一个作动控制器；
多个GPS、多个IMU、多个气压高度计安置在无人机上；每个GPS、IMU和气压高度计均连接到总线上，实时将测量得到的测量数据封装到数据包中并传到总线上供多个飞控计算机共享；
所述飞控计算机包括：
计算模块，用于依据处于健康状态采集设备的数据包进行计算，根据计算结果得到相应的飞行参数；
数据封装及解析模块，用于将自身得到的飞行参数封装到数据包中，该数据包包括：设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；并将接收到的其余飞控计算机传输的数据包进行解析，获得对应的设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位；
第一传输模块，用于传输自身封装的数据包给其余飞控计算机，并接收其余飞控计算机传来的数据包给所述数据封装及解析模块；
健康识别模块，将解析得到的其余飞控计算机的飞行参数与自身计算的飞行参数进行比对，并根据比对结果做表决，如果比对结果一致，则确认自身设备健康；
第二传输模块，用于将所述健康识别模块比对结果一致的飞行参数传输给所述数据封装及解析模块以封装到数据包中，并将数据包传给作动控制器；
每个飞控计算机的输入端均与总线连接，实时接收总线上承载的GPS、IMU和多个气压高度计传输的数据包；每个飞控计算机的输出端为两个，其中一个输出端通过线路分别与其余的飞控计算机相连，用以将载有自己计算得到的飞行参数的数据包传给其余的飞控计算机；另一个输出端与作动控制器相连，用以将自己计算得到的飞行参数封装到数据包中传输给作动控制器；
所述数据包均包括：设备ID标识、数据类型标签、数据内容部分和校验位。
5.根据权利要求4所述的一种基于分布式多余度总线的无人机飞控系统，其特征在于，所述总线包括总线Ⅰ和总线Ⅱ。
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