CN109212958A - 双余度无人机刹车控制器及冷备份控制方法 - Google Patents

双余度无人机刹车控制器及冷备份控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双余度无人机刹车控制器及冷备份控制方法，主要由主控制系统、备份控制系统与监控仲裁单元组成；主控制系统包括主控制微处理器、主总线收发器和主内部电源；备份控制系统包括备份控制微处理器、备份总线收发器和备份内部电源。本发明在刹车控制器中采用冷备份控制方法，将备份控制系统的各元器件全部断电，降低元器件的电应力，解决了热备份控制系统元器件寿命受电应力影响的问题；在冷备份控制系统设计中，利用监控仲裁单元对当前的PWM信号占空比指令进行缓存，解决了冷备份刹车控制方法中PWM信号输出存在中断的问题。

Description

双余度无人机刹车控制器及冷备份控制方法
技术领域
本发明涉及无人机刹车控制技术领域，具体涉及一种双余度无人机刹车控制器及冷备份控制方法。
背景技术
现有的飞机刹车控制器通常对控制系统采用热备份控制的方法，即主控制系统与备份控制系统同时上电工作，由于备份控制系统承受着与主控制系统相同的电应力，影响了备份控制系统的各元器件寿命，减弱了刹车控制器的可靠性。
虽然冷备份控制方法能将备份控制系统的各元器件全部断电，降低了元器件的电应力，将极大提高其使用寿命，但是现有冷备份控制方法仍存在不足之处，即需要几十毫秒的时间才能切换到备份控制系统。考虑到总线的通信周期，从启用备份控制系统到执行刹车占空比控制指令至少中断一、二百毫秒，由于不能保证用于刹车控制的脉宽调制(PulseWidth Modulation，PWM)信号输出不中断，极大影响了刹车性能，存在着安全隐患，因此冷备份控制方法在刹车控制技术领域的应用受到限制。
发明内容
本发明所要解决的是现有飞机刹车控制器可靠性不高的问题，提供一种双余度无人机刹车控制器及冷备份控制方法。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
双余度无人机刹车控制器，主要由主控制系统、备份控制系统与监控仲裁单元组成；主控制系统包括主控制微处理器、主总线收发器和主内部电源；备份控制系统包括备份控制微处理器、备份总线收发器和备份内部电源；主内部电源的控制使能端连接监控仲裁单元的主电源控制端，主内部电源的电源输出端连接主控制微处理器的电源输入端；主总线收发器的控制使能端连接监控仲裁单元的主收发控制端，主总线收发器的数据收发端与主控制微处理器的数据收发端相连接；主控制微处理器的数据通信端与监控仲裁单元的主数据通信端相连接；主控制微处理器的状态输出端连接监控仲裁单元的主状态输入端；备份内部电源的控制使能端连接监控仲裁单元的备份电源控制端，备份内部电源的电源输出端连接备份控制微处理器的电源输入端；备份总线收发器的控制使能端连接监控仲裁单元的备份收发控制端，备份总线收发器的数据收发端与备份控制微处理器的数据收发端相连接；备份控制微处理器的数据通信端与监控仲裁单元的备份数据通信端相连接；备份控制微处理器的状态输出端连接监控仲裁单元的备份状态输入端；主控制微处理器和备份控制微处理器的信号输入端同时采集刹车压力信号；监控仲裁单元的信号输入端采集轮速信号，监控仲裁单元的信号输出刹车控制PWM信号；主总线收发器和备份总线收发器通过共用总线对外通信。
上述方案中，主内部电源和备份内部电源均为直流电源。
上述方案中，主控制微处理器的数据通信端与监控仲裁单元的主数据通信端通过串行外设接口相连接。
上述方案中，备份控制微处理器的数据通信端与监控仲裁单元的备份数据通信端通过串行外设接口相连接。
上述双余度无人机刹车控制器的冷备份控制方法，包括步骤如下：
上电后，刹车控制器进入正常工作状态，此时主控制系统处于工作状态，备份控制系统处于断电状态；在正常工作状态下，监控仲裁单元通过控制主内部电源的使能端使其供电，主控制微处理器工作，同时控制主总线收发器的使能端使其启用，至此主控制系统整体处于工作状态；与此同时，监控仲裁单元通过控制备份内部电源的使能端使其断电，备份控制微处理器停止，同时控制备份总线收发器的使能端使其停止，至此备份控制系统整体处于断电状态；
在正常工作状态下，监控仲裁单元对主控制微处理器和备份控制微处理器的工作状态进行监控及仲裁；当监控仲裁单元监测到主控制微处理器工作状态不正常时，则刹车控制器进入备份工作状态，此时备份控制系统处于工作状态，主控制系统处于断电状态；在备份工作状态下，监控仲裁单元通过控制备份内部电源的使能端使其供电，备份控制微处理器工作，同时控制备份总线收发器的使能端使其启用，至此备份控制系统整体处于工作状态；与此同时，监控仲裁单元通过控制主内部电源的使能端使其断电，主控制微处理器停止，同时控制主总线收发器的使能端使其停止，至此主控制系统整体处于断电状态；
在备份工作状态下，监控仲裁单元对主控制微处理器和备份控制微处理器的工作状态进行监控及仲裁；当监控仲裁单元监测到主控制微处理器工作状态恢复正常时，则刹车控制器进入恢复工作状态，此时监控仲裁单元继续让备份控制系统保持工作状态，保持主控制系统的断电状态，直到刹车控制器断电重启，才重新启用主控制系统。
当主控制微处理器不能正常工作时，监控仲裁单元对当前主控制微处理器所采集的刹车压力信号的PWM信号占空比指令进行缓存处理，以保证在切换到备份控制微处理器工作前，刹车控制PWM信号的输出不中断。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、在刹车控制器中采用冷备份控制方法，将备份控制系统的各元器件全部断电，降低元器件的电应力，解决了热备份控制系统元器件寿命受电应力影响的问题；
2、在冷备份控制系统设计中，利用监控仲裁单元对当前的PWM信号占空比指令进行缓存，解决了冷备份刹车控制方法中PWM信号输出存在中断的问题。
附图说明
图1为双余度无人机刹车控制器的硬件结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1，一种双余度无人机刹车控制器，主要由主控制系统、备份控制系统与监控仲裁单元组成。
上述主控制系统包括主控制微处理器、主总线收发器和主内部电源。主内部电源的控制使能端连接监控仲裁单元的主电源控制端，主内部电源的电源输出端连接主控制微处理器的电源输入端。主总线收发器的控制使能端连接监控仲裁单元的主收发控制端，主总线收发器的数据收发端与主控制微处理器的数据收发端相连接。主控制微处理器的数据通信端与监控仲裁单元的主数据通信端相连接。主控制微处理器的状态输出端连接监控仲裁单元的主状态输入端。
上述备份控制系统包括备份控制微处理器、备份总线收发器和备份内部电源。备份内部电源的控制使能端连接监控仲裁单元的备份电源控制端，备份内部电源的电源输出端连接备份控制微处理器的电源输入端。备份总线收发器的控制使能端连接监控仲裁单元的备份收发控制端，备份总线收发器的数据收发端与备份控制微处理器的数据收发端相连接。备份控制微处理器的数据通信端与监控仲裁单元的备份数据通信端相连接。备份控制微处理器的状态输出端连接监控仲裁单元的备份状态输入端。
主控制微处理器和备份控制微处理器的信号输入端同时采集刹车压力信号；监控仲裁单元的信号输入端采集轮速信号，监控仲裁单元的信号输出PWM信号；主总线收发器和备份总线收发器通过共用总线对外通信。
主控制系统的使能端与监控仲裁单元连接，并受监控仲裁单元控制。备份控制系统的使能端与监控仲裁单元连接，并受监控仲裁单元控制。每个控制系统均配置独立的总线收发器，总线收发器由监控仲裁单元进行使能控制，2个总线收发器通过共用总线对外通信。每个控制系统的电能供应即内部电源由监控仲裁单元进行使能控制。每个控制系统的微处理器与监控仲裁单元通过SPI通信。MCU采集刹车压力信号。监控仲裁单元采集轮速信号并控制PWM功率输出。
主内部电源和备份内部电源均为直流电源由两只直流电源模块冗余组成，将外部输入电源转换为不同控制电路所需的供电电压，可以提高内部电源的可靠性。
主总线收发器与主控制微处理器连接，其功能是主控制微处理器与外部的总线通信。备份总线收发器与备份控制微处理器连接，其功能是备份控制微处理器2与外部的总线通信。主总线收发器对外接收端口与备份总线收发器对外接收端口连接，主总线收发器对外发送端口与备份总线收发器对外发送端口连接。主总线收发器、备份总线收发器的使能控制端口均与监控仲裁单元连接，主总线收发器、备份总线收发器由监控仲裁单元控制启用和停止。
监控仲裁单元对轮速信号进行采集，同时对外发送刹车控制PWM信号。由监控仲裁单元对两个MCU的总线收发器进行控制，确保任何时刻只有一个总线控制器被启用，另外一个总线控制器处于停用状态，以避免总线传输数据出错。
主控制微处理器与监控仲裁单元连接，其中通信线路通过SPI端口连接。主控制微处理器工作时，将采集到的刹车压力信号的PWM信号的占空比指令通过SPI端口发送给监控仲裁单元，监控仲裁单元响应指令并发出相应的占空比的刹车控制PWM信号至刹车。同时，监控仲裁单元将轮速信号通过SPI端口发送给主控制微处理器，主控制微处理器采集刹车压力信号，并将刹车控制器工作状态通过主总线收发器上报。此外，主控制微处理器的工作状态由监控仲裁单元监控。
备份控制微处理器与监控仲裁单元连接，其中通信线路通过SPI端口连接。备份控制微处理器工作时，将采集到的刹车压力信号的PWM信号的占空比指令通过SPI端口发送给监控仲裁单元，监控仲裁单元响应指令并发出相应的占空比的刹车控制PWM信号至刹车。同时，监控仲裁单元将轮速信号通过SPI端口发送给备份控制微处理器，备份控制微处理器采集刹车压力信号，并将刹车控制器工作状态通过备份总线收发器上报。此外，备份控制微处理器的工作状态由监控仲裁单元监控。
本发明的控制器，当主控制系统发生故障后，监控仲裁单元自动启用冷备份状态的备份控制系统，同时通过采用刹车控制指令缓存技术，能保证刹车控制PWM信号输出的不中断。应用冷备份控制系统的刹车控制器，备份控制系统的电子元器件全部断电，可以有效降低电子元器件的电应力，同时提高元器件寿命与可靠性，以满足无人机刹车控制器的高可靠性要求。
上述双余度无人机刹车控制器所实现的冷备份控制方法，其具体步骤如下：
上电后，刹车控制器进入正常工作状态，此时主控制系统处于工作状态，备份控制系统处于断电状态。在正常工作状态下，监控仲裁单元通过控制主内部电源的使能端使其供电，主控制微处理器工作，同时控制主总线收发器的使能端使其启用，至此主控制系统整体处于工作状态。与此同时，监控仲裁单元通过控制备份内部电源的使能端使其断电，备份控制微处理器停止，同时控制备份总线收发器的使能端使其停止，至此备份控制系统整体处于断电状态。
在正常工作状态下，监控仲裁单元对主控制微处理器和备份控制微处理器的工作状态进行监控及仲裁。当监控仲裁单元监测到主控制微处理器工作状态不正常时，则刹车控制器进入备份工作状态，此时备份控制系统处于工作状态，主控制系统处于断电状态。在备份工作状态下，监控仲裁单元通过控制备份内部电源的使能端使其供电，备份控制微处理器工作，同时控制备份总线收发器的使能端使其启用，至此备份控制系统整体处于工作状态。与此同时，监控仲裁单元通过控制主内部电源的使能端使其断电，主控制微处理器停止，同时控制主总线收发器的使能端使其停止，至此主控制系统整体处于断电状态。
在备份工作状态下，监控仲裁单元对主控制微处理器和备份控制微处理器的工作状态进行监控及仲裁。当监控仲裁单元监测到主控制微处理器工作状态恢复正常时，则刹车控制器进入恢复工作状态，此时监控仲裁单元继续让备份控制系统保持工作状态，保持主控制系统的断电状态，直到刹车控制器断电重启，才重新启用主控制系统。
当主控制微处理器不能正常工作时，监控仲裁单元对当前所采集的刹车压力信号的PWM信号占空比指令进行缓存处理，保证在切换到备份控制微处理器工作前，用于刹车控制的PWM信号的输出不中断，保障刹车安全。
本发明在无人机刹车控制器应用冷备份控制方法，即在主控制系统工作时，将备份控制系统的各元器件全部断电，降低了元器件的电应力，解决了热备份控制系统中元器件寿命受电应力影响的问题，可以提高刹车控制器的可靠性及使用寿命；在冷备份控制系统中，利用监控仲裁单元对当前的PWM信号占空比指令进行缓存，解决了冷备份刹车控制方法中PWM信号输出存在中断的问题，保证了刹车控制的安全性。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (6)

1.双余度无人机刹车控制器，其特征是，主要由主控制系统、备份控制系统与监控仲裁单元组成；主控制系统包括主控制微处理器、主总线收发器和主内部电源；备份控制系统包括备份控制微处理器、备份总线收发器和备份内部电源；
主内部电源的控制使能端连接监控仲裁单元的主电源控制端，主内部电源的电源输出端连接主控制微处理器的电源输入端；主总线收发器的控制使能端连接监控仲裁单元的主收发控制端，主总线收发器的数据收发端与主控制微处理器的数据收发端相连接；主控制微处理器的数据通信端与监控仲裁单元的主数据通信端相连接；主控制微处理器的状态输出端连接监控仲裁单元的主状态输入端；
备份内部电源的控制使能端连接监控仲裁单元的备份电源控制端，备份内部电源的电源输出端连接备份控制微处理器的电源输入端；备份总线收发器的控制使能端连接监控仲裁单元的备份收发控制端，备份总线收发器的数据收发端与备份控制微处理器的数据收发端相连接；备份控制微处理器的数据通信端与监控仲裁单元的备份数据通信端相连接；备份控制微处理器的状态输出端连接监控仲裁单元的备份状态输入端；
主控制微处理器和备份控制微处理器的信号输入端同时采集刹车压力信号；监控仲裁单元的信号输入端采集轮速信号，监控仲裁单元的信号输出刹车控制PWM信号；主总线收发器和备份总线收发器通过共用总线对外通信。
2.根据权利要求1所述的双余度无人机刹车控制器，其特征是，主内部电源和备份内部电源均为直流电源。
3.根据权利要求1所述的双余度无人机刹车控制器，其特征是，主控制微处理器的数据通信端与监控仲裁单元的主数据通信端通过串行外设接口相连接。
4.根据权利要求1所述的双余度无人机刹车控制器，其特征是，备份控制微处理器的数据通信端与监控仲裁单元的备份数据通信端通过串行外设接口相连接。
5.基于权利要求1所述双余度无人机刹车控制器的冷备份控制方法，其特征是，包括步骤如下：
上电后，刹车控制器进入正常工作状态，此时主控制系统处于工作状态，备份控制系统处于断电状态；在正常工作状态下，监控仲裁单元通过控制主内部电源的使能端使其供电，主控制微处理器工作，同时控制主总线收发器的使能端使其启用，至此主控制系统整体处于工作状态；与此同时，监控仲裁单元通过控制备份内部电源的使能端使其断电，备份控制微处理器停止，同时控制备份总线收发器的使能端使其停止，至此备份控制系统整体处于断电状态；
在正常工作状态下，监控仲裁单元对主控制微处理器和备份控制微处理器的工作状态进行监控及仲裁；当监控仲裁单元监测到主控制微处理器工作状态不正常时，则刹车控制器进入备份工作状态，此时备份控制系统处于工作状态，主控制系统处于断电状态；在备份工作状态下，监控仲裁单元通过控制备份内部电源的使能端使其供电，备份控制微处理器工作，同时控制备份总线收发器的使能端使其启用，至此备份控制系统整体处于工作状态；与此同时，监控仲裁单元通过控制主内部电源的使能端使其断电，主控制微处理器停止，同时控制主总线收发器的使能端使其停止，至此主控制系统整体处于断电状态；
在备份工作状态下，监控仲裁单元对主控制微处理器和备份控制微处理器的工作状态进行监控及仲裁；当监控仲裁单元监测到主控制微处理器工作状态恢复正常时，则刹车控制器进入恢复工作状态，此时监控仲裁单元继续让备份控制系统保持工作状态，保持主控制系统的断电状态，直到刹车控制器断电重启，才重新启用主控制系统。
6.根据权利要求5所述的双余度无人机刹车控制器的冷备份控制方法，其特征是，还进一步包括：当主控制微处理器不能正常工作时，监控仲裁单元对当前主控制微处理器所采集的刹车压力信号的PWM信号占空比指令进行缓存处理，以保证在切换到备份控制微处理器工作前，刹车控制PWM信号的输出不中断。
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