CN109931930B - 一种无人机双余度测量系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机双余度测量系统及其控制方法，基于两套不同工作原理的测量系统及控制策略，以达到系统一次故障后正常工作且明显提高系统的可靠性和安全性的目的。本发明采用非相似双余度系统模型，实现简单，可靠性、安全性高；双余度测量系统的控制策略和切换完全由无人机软件完成，未在无人机增加额外设备；双余度测量系统的控制策略实现简单，适用面广可以在不同无人机系统中推广应用。

Description

一种无人机双余度测量系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，尤其是一种无人机的测量系统及控制方法。

背景技术

测量系统是无人机飞行控制系统的重要组成部分。在整个飞行控制过程中都需要测量系统采集无人机姿态数据、角速率数据、航向、位置信息等作为输入，并通过相应的控制算法计算出无人机的控制量已达到控制无人机飞行的目的，所以测量系统数据的正确性、安全性就显得尤为重要。

现有的无人机通常采用在无人机上安装垂直陀螺和角速率陀螺以获得姿态数据和角速率数据，安装航向传感器以获得航向，安装卫星接收机以获得位置信息；或者安装一台惯性组合导航设备以获得无人机姿态数据、角速率数据、航向及位置信息用于无人机的控制。该方法由于只在无人机上安装一套测量设备，如果该套设备发生故障则无法正常工作，其可靠性较低。

还有一种方法，在无人机上安装两套组合导航设备，两套设备同时工作获得无人机姿态数据、角速率数据、航向及位置信息息等，正常情况下一台组合导航设备获取的数据供控制算法计算用于控制无人机，当其故障后另一台组合导航设备自动接入替换故障的导航设备用于无人机控制。该方法具有测量系统一次故障后自动重构的能力，提高了安全性，缺点是两套组合导航设备的工作原理和设计原理相同，存在同时发生同类故障的可能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种无人机双余度测量系统及其控制方法，本发明基于两套不同工作原理的测量系统及控制策略，以达到系统一次故障后正常工作且明显提高系统的可靠性和安全性的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种无人机双余度测量系统包含陀螺测量系统和组合导航系统，其中陀螺测量系统包含垂直陀螺、角速率陀螺、磁航向传感器和卫星定位系统，其中垂直陀螺输出姿态数据，姿态数据包含俯仰角和倾斜角，角速率陀螺输出角速率数据，角速率数据包含俯仰角速率、倾斜角速率和航向角速率，磁航向传感器输出航向角，卫星定位系统输出位置信息，位置信息为经度和纬度。

组合导航系统包含航姿装置和卫星定位系统，航姿装置输出姿态数据、角速率数据和航向角，姿态数据包括俯仰角、倾斜角，角速率数据包括俯仰角速率、倾斜角速率和航向角速率，卫星定位系统输出经度和纬度，用于无人机控制。

所述无人机双余度测量系统在陀螺测量系统及组合导航系统正常情况下，均将姿态数据、角速率数据、航向角和位置信息送给无人机，无人机默认使用组合导航系统提供的姿态、角速率、航向角及位置信息用于无人机控制，此时陀螺测量系统及组合导航系统具备指令切换功能，当组合导航系统发生故障次数超出阈值，则自动切换为由陀螺测量系统提供的姿态、角速率、航向角及位置信息用于无人机的控制。

所述无人机双余度测量系统的控制方法如下：

步骤1：无人机上电后无人机机载软件自动将陀螺测量系统设置为主测量系统，陀螺测量系统输出的数据用于无人机控制，将组合导航系统设置为备份系统，组合导航系统输出的数据处于监控状态；

步骤2：无人机接收到组合导航系统数据且组合导航系统数据中的状态信息表示组合导航系统工作正常，则将组合导航系统切换为主测量系统，使用组合导航系统输出的数据用于无人机的控制，将陀螺测量系统切换为备份测量系统，陀螺测量系统输出的数据处于监控状态；

步骤3：在无人机飞行过程中，实时对组合导航系统的数据进行监控，并在如下三种情况下进行判断：

3.1)在阈值时刻t₁内，若t₁时刻内无人机均未收到组合导航系统的数据，则失效次数k₁加一，若失效次数k₁大于连续失效阈值l₁，或在时刻n₁内组合导航系统与无人机正常通讯次数小于非连续失效阈值m₁，则自动将组合导航系统设为备份测量系统，组合导航系统的数据只进行监控，并将陀螺测量系统设为主测量系统用于无人机控制，此时将组合导航系统故障次数k₂加一；其中，阈值时刻t₁为组合导航系统通讯周期的10-15倍，连续失效阈值l₁取值为1-5之间，n₁的取值为组合导航系统通讯周期的3000-6000倍，m₁的取值为((n₁/组合导航系统通讯周期)/2))；

3.2)：若无人机接收到的组合导航系统数据中状态字信息表示组合导航系统数据不可用，或自检信息表示组合导航系统故障，则将组合导航系统设为备份测量系统，将陀螺测量系统设为主测量系统控制无人机，此时将组合导航系统故障次数k₂加一；

3.3)：无人机实时对组合导航系统数据和陀螺测量系统的姿态数据、角速率数据、航向角和位置信息进行两两比对，若两两对比的数据差在阈值时刻t₂内持续超出数据阈值p₁，或在时刻n₂内数据差超出数据阈值p2次数大于阈值m₂，则自动将组合导航系统设为备份测量系统，将陀螺测量系统设为主测量系统用于无人机控制，并将组合导航系统故障次数k₂加一，其中，t₂的取值为组合导航系统通讯周期的3-5倍，数据阈值p₁取值为姿态数据阈值为3⁰-5⁰，角速率数据的阈值为5⁰/s-10⁰/s，航向角的阈值为10⁰-30⁰，位置信息的阈值为两点距离为3km-5km，n₂的取值为组合导航系统通讯周期的50-100倍，数据阈值p2取值为姿态数据的阈值为3⁰-5⁰，角速率数据的阈值为5⁰/s-10⁰/s，航向角的阈值为10⁰-20⁰，位置信息的阈值为两点距离为3km-5km，m₂的取值为((n₂/组合导航系统通讯周期)/2)；

步骤4：若组合导航系统故障次数k₂未达到最大故障次数阈值k₃，则使用指令在组合导航系统和陀螺测量系统之间进行切换；若组合导航系统故障次数k₂大于最大故障次数阈值k₃，则无人机完全自动屏蔽组合导航系统，只使用陀螺测量系统的数据，其中，k₃的取值为20-50之间。

本发明的有益效果在于测量系统采用非相似双余度系统模型，实现简单，可靠性、安全性高；双余度测量系统的控制策略和切换完全由无人机软件完成，未在无人机增加额外设备；双余度测量系统的控制策略实现简单，适用面广可以在不同无人机系统中推广应用。

附图说明

图1为本发明双余度测量系统系统及各测量设备输出数据框图。

图2为本发明双余度测量系统控制策略实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种无人机双余度测量系统包含陀螺测量系统和组合导航系统，构建模型如图1所示，各测量设备输出数据如图2所示。

陀螺测量系统包含垂直陀螺、角速率陀螺、磁航向传感器和卫星定位系统，其中垂直陀螺输出姿态数据，姿态数据包含俯仰角和倾斜角，角速率陀螺输出角速率数据，角速率数据包含俯仰角速率、倾斜角速率和航向角速率，磁航向传感器输出航向角，卫星定位系统输出位置信息，位置信息为经度和纬度。

组合导航系统包含航姿装置和卫星定位系统，航姿装置输出姿态数据、角速率数据和航向角，姿态数据包括俯仰角、倾斜角，角速率数据包括俯仰角速率、倾斜角速率和航向角速率，卫星定位系统输出经度和纬度，用于无人机控制。

所述无人机双余度测量系统工作流程如下：

如图1所示，所述无人机双余度测量系统包含陀螺测量系统及组合导航系统。在陀螺测量系统及组合导航系统正常情况下，均将姿态数据(俯仰角、倾斜角)、角速率数据(俯仰角速率、倾斜角速率、航向角速率)、航向角和位置信息(经度、纬度)送给无人机，无人机默认使用组合导航系统提供的姿态、角速率、航向角及位置信息用于无人机控制，此时陀螺测量系统及组合导航系统具备指令切换功能，当组合导航系统发生故障次数超出阈值，则自动切换为由陀螺测量系统提供的姿态、角速率、航向角及位置信息用于无人机的控制。

所述无人机双余度测量系统的控制方法如下：

步骤1：无人机上电后无人机机载软件自动将陀螺测量系统设置为主测量系统，陀螺测量系统输出的数据用于无人机控制，将组合导航系统设置为备份系统，组合导航系统输出的数据处于监控状态；

步骤2：无人机接收到组合导航系统数据且组合导航系统数据中的状态信息表示组合导航系统工作正常，则将组合导航系统切换为主测量系统，使用组合导航系统输出的数据用于无人机的控制，将陀螺测量系统切换为备份测量系统，陀螺测量系统输出的数据处于监控状态；

步骤3：在无人机飞行过程中，实时对组合导航系统的数据进行监控，并在如下三种情况下进行判断：

3.1)在阈值时刻t₁内，若t₁时刻内无人机均未收到组合导航系统的数据，则失效次数k₁加一，若失效次数k₁大于连续失效阈值l₁，或在时刻n₁内组合导航系统与无人机正常通讯次数小于非连续失效阈值m₁，则自动将组合导航系统设为备份测量系统，组合导航系统的数据只进行监控，并将陀螺测量系统设为主测量系统用于无人机控制，此时将组合导航系统故障次数k₂加一；其中，阈值时刻t₁为组合导航系统通讯周期的10-15倍，连续失效阈值l₁取值为1-5之间，n₁的取值为组合导航系统通讯周期的3000-6000倍，m₁的取值为((n₁/组合导航系统通讯周期)/2))；

3.2)：若无人机接收到的组合导航系统数据中状态字信息表示组合导航系统数据不可用，或自检信息表示组合导航系统故障，则将组合导航系统设为备份测量系统，将陀螺测量系统设为主测量系统控制无人机，此时将组合导航系统故障次数k₂加一；

3.3)：无人机实时对组合导航系统数据和陀螺测量系统的姿态数据、角速率数据、航向角和位置信息进行两两比对，若两两对比的数据差在阈值时刻t₂内持续超出数据阈值p₁，或在时刻n₂内数据差超出数据阈值p2次数大于阈值m₂，则自动将组合导航系统设为备份测量系统，将陀螺测量系统设为主测量系统用于无人机控制，并将组合导航系统故障次数k₂加一，其中，t₂的取值为组合导航系统通讯周期的3-5倍，数据阈值p₁取值为姿态数据阈值为3⁰-5⁰，角速率数据的阈值为5⁰/s-10⁰/s，航向角的阈值为10⁰-30⁰，位置信息的阈值为两点距离为3km-5km，n₂的取值为组合导航系统通讯周期的50-100倍，数据阈值p2取值为姿态数据的阈值为3⁰-50，角速率数据的阈值为5⁰/s-10⁰/s，航向角的阈值为10⁰-20⁰，位置信息的阈值为两点距离为3km-5km，m₂的取值为((n₂/组合导航系统通讯周期)/2)；

步骤4：若组合导航系统故障次数k₂未达到最大故障次数阈值k₃，则使用指令在组合导航系统和陀螺测量系统之间进行切换；若组合导航系统故障次数k₂大于最大故障次数阈值k₃，则无人机完全自动屏蔽组合导航系统，只使用陀螺测量系统的数据，其中，k₃的取值为20-50之间。

本发明实施例步骤如下：

步骤1：无人机上电后无人机软件自动将陀螺测量系统(垂直陀螺、角速率陀螺、磁航向传感器及卫星定位系统)设置为主测量系统，其输出信息用于无人机控制，组合导航测量系统设置为备份测量系统只处于监控状态；

步骤2：待组合导航系统对准完成后且正常工作三分钟后(三分钟内组合导航系统数据中的状态信息均表示其工作正常)，通过指令控制无人机将组合导航系统设置为主测量系统，使用其输出的姿态和位置信息用于无人机的控制，将陀螺测量系统(垂直陀螺、角速率陀螺、磁航向传感器及卫星定位系统)设置为备份测量系统，其输出的数据处于监控状态；

步骤3：在无人机飞行过程中，实时对组合导航系统的数据进行监控，并在如下三种情况下进行判断：

3.1)组合导航系统处于主测量系统时，每200ms(该组合导航系统的数据通讯周期为20ms)对组合导航数据进行监控，若200ms内均未收到组合导航系统的数据则组合导航系统失效次数加一，若该失效次数大于2次或在一分钟内组合导航系统失效次数大于1500次，无人机自动将陀螺测量系统(垂直陀螺、角速率陀螺、磁航向传感器及卫星定位系统)切换为主测量系统其数据用于无人机控制，组合导航系统降为备份测量系统，其输出数据只用于监控，并将组合导航系统故障次数加一；

3.2)若无人机收到的组合导航数据中自检信息报故障或状态信息显示组合导航数据不可用，则自动将组合导航系统设为备份测量系统，使用陀螺测量系统(垂直陀螺、角速率陀螺、磁航向传感器及卫星定位系统)的数据用于无人机控制，并将组合导航系统故障次数加一；

3.3)无人机每20ms(该组合导航系统的数据通讯周期为20ms)对组合导航系统数据和陀螺测量系统(垂直陀螺、角速率陀螺、磁航向传感器及卫星定位系统)的数据进行比对，若两套系统姿态角差大于5⁰、角速率差大于10⁰/s、航向角差大于20⁰、位置距离差大于5km中任一条件满足，无人机自动将陀螺测量系统(垂直陀螺、角速率陀螺、磁航向传感器及卫星定位系统)切换为主测量系统其数据用于无人机控制，组合导航系统降为备份测量系统，其输出数据只用于监控，并将组合导航系统故障次数加一；

步骤4：若组合导航系统故障次数未达到50次则可以使用指令使无人机在组合导航系统和陀螺测量系统间进行主备测量系统切换，若大于50次则屏蔽组合导航系统数据，只使用陀螺测量系统(垂直陀螺、角速率陀螺、磁航向传感器及卫星定位系统)数据控制无人机，测量系统降额为单余度系统，从而实现无人机双余度测量系统的控制。

Claims (1)

1.一种无人机双余度测量系统，其特征在于：

所述无人机双余度测量系统包含陀螺测量系统和组合导航系统，其中陀螺测量系统包含垂直陀螺、角速率陀螺、磁航向传感器和卫星定位系统，其中垂直陀螺输出姿态数据，姿态数据包含俯仰角和倾斜角，角速率陀螺输出角速率数据，角速率数据包含俯仰角速率、倾斜角速率和航向角速率，磁航向传感器输出航向角，卫星定位系统输出位置信息，位置信息为经度和纬度；

组合导航系统包含航姿装置和卫星定位系统，航姿装置输出姿态数据、角速率数据和航向角，姿态数据包括俯仰角、倾斜角，角速率数据包括俯仰角速率、倾斜角速率和航向角速率，卫星定位系统输出经度和纬度，用于无人机控制；

所述无人机双余度测量系统在陀螺测量系统及组合导航系统正常情况下，均将姿态数据、角速率数据、航向角和位置信息送给无人机，无人机默认使用组合导航系统提供的姿态、角速率、航向角及位置信息用于无人机控制，此时陀螺测量系统及组合导航系统具备指令切换功能，当组合导航系统发生故障次数超出阈值，则自动切换为由陀螺测量系统提供的姿态、角速率、航向角及位置信息用于无人机的控制；

双余度测量系统的控制策略如下：

步骤1：无人机上电后无人机机载软件自动将陀螺测量系统设置为主测量系统，陀螺测量系统输出的数据用于无人机控制，将组合导航系统设置为备份系统，组合导航系统输出的数据处于监控状态；

步骤2：无人机接收到组合导航系统数据且组合导航系统数据中的状态信息表示组合导航系统工作正常，则将组合导航系统切换为主测量系统，使用组合导航系统输出的数据用于无人机的控制，将陀螺测量系统切换为备份测量系统，陀螺测量系统输出的数据处于监控状态；

步骤3：在无人机飞行过程中，实时对组合导航系统的数据进行监控，并在如下三种情况下进行判断：

3.1)在阈值时刻t₁内，若t₁时刻内无人机均未收到组合导航系统的数据，则失效次数k₁加一，若失效次数k₁大于连续失效阈值l₁，或在时刻n₁内组合导航系统与无人机正常通讯次数小于非连续失效阈值m₁，则自动将组合导航系统设为备份测量系统，组合导航系统的数据只进行监控，并将陀螺测量系统设为主测量系统用于无人机控制，此时将组合导航系统故障次数k₂加一；其中，阈值时刻t₁为组合导航系统通讯周期的10-15倍，连续失效阈值l₁取值为1-5之间，n₁的取值为组合导航系统通讯周期的3000-6000倍，m₁的取值为((n₁/组合导航系统通讯周期)/2))；

3.2)：若无人机接收到的组合导航系统数据中状态字信息表示组合导航系统数据不可用，或自检信息表示组合导航系统故障，则将组合导航系统设为备份测量系统，将陀螺测量系统设为主测量系统控制无人机，此时将组合导航系统故障次数k₂加一；

3.3)：无人机实时对组合导航系统数据和陀螺测量系统的姿态数据、角速率数据、航向角和位置信息进行两两比对，若两两对比的数据差在阈值时刻t₂内持续超出数据阈值p₁，或在时刻n₂内数据差超出数据阈值p2次数大于阈值m₂，则自动将组合导航系统设为备份测量系统，将陀螺测量系统设为主测量系统用于无人机控制，并将组合导航系统故障次数k₂加一，其中，t₂的取值为组合导航系统通讯周期的3-5倍，数据阈值p₁取值为姿态数据阈值为3°-5°，角速率数据的阈值为5°/s-10°/s，航向角的阈值为10°-30°，位置信息的阈值为两点距离为3km-5km，n₂的取值为组合导航系统通讯周期的50-100倍，数据阈值p2取值为姿态数据的阈值为3°-5°，角速率数据的阈值为5°/s-10°/s，航向角的阈值为10°-20°，位置信息的阈值为两点距离为3km-5km，m₂的取值为((n₂/组合导航系统通讯周期)/2)；

步骤4：若组合导航系统故障次数k2未达到最大故障次数阈值k3，则使用指令在组合导航系统和陀螺测量系统之间进行切换；若组合导航系统故障次数k2大于最大故障次数阈值k3，则无人机完全自动屏蔽组合导航系统，只使用陀螺测量系统的数据，其中，k3的取值为20-50之间。

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