CN110187717A - 无人机飞行控制系统及无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人机飞行控制系统及无人机，应用于无人机技术领域，其中，无人机飞行控制系统包括：飞行控制主板、多个飞行控制子板，各飞行控制子板均与飞行控制主板相连接，飞行控制子板，用于接收飞行控制主板发送的开始信号，并在接收到开始信号后，激活飞行控制模式，并向飞行控制主板发送控制信号，飞行控制主板，用于通过飞行控制主板上的使能模块产生开始信号，并将开始信号发送至飞行控制子板，还用于接收各飞行控制子板发送的控制信号，并判断各控制信号是否正确，选择正确的控制信号对应的飞行控制子板控制无人机飞行。
Description
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体涉及无人机飞行控制系统及无人机。
背景技术
随着社会发展和科技进步的提高，对无人机使用的需求不断增加，比如林业部门的森防有害生物监测、农药喷洒、森林防火动态监控，国土资源部门的国地地形地貌测绘或突发性地理灾害区域的通信联络或灾害动态估测防控，海洋监测等，电力架线、线路巡检、公安交通管理、城市管理、视频拍摄也已开始广泛应用。
无人机操作员通常通过两种无线通讯方式与空中的无人机进行交互控制：一种是使用无线遥控器来实现视线范围内无人机的控制；另一种是通过与无线电数据传输设备(简称数传)相连的地面控制站与无人机之间进行超视距的数据交互。
根据无人机操作员的飞行要求，无人机通过设置在其上的飞行控制系统来控制飞行动作的。与普通消费级微型无人机不同，工业级无人机飞行控制系统由于需要满足企业级应用的需求，在可靠性和容错性上都需要适应工业级无人机长航时，工作环境恶劣等现实情况的高标准。
相关技术中，飞行控制系统通过飞行控制硬件以及与其连接的各种传感器获得飞机空中姿态和位置数据。通常单一的飞行控制电路板在发生故障或失效的情况下，无人机操作员或者地面控制站无法将发出的控制命令传递到飞行控制电路板上，飞行控制电路板也无法根据飞行姿态及时调整控制无人机飞行，从而使无人机无法正常运行。由于其仅通过一块飞行控制板来调整无人机的态势，一旦发生故障，便无法正常使用，容错性较差。
发明内容
有鉴于此，本发明为了在至少一定程度上克服相关技术中存在的问题，提供一种无人机飞行控制系统及无人机。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
第一方面，一种无人机飞行控制系统，包括：飞行控制主板、多个飞行控制子板，各所述飞行控制子板均与所述飞行控制主板相连接；
所述飞行控制主板，用于通过所述飞行控制主板上的使能模块产生开始信号，并将所述开始信号发送至所述飞行控制子板；
所述飞行控制子板，用于接收所述飞行控制主板发送的开始信号，并在接收到开始信号后，激活飞行控制模式，并向所述飞行控制主板发送控制信号；
所述飞行控制主板，还用于接收各所述飞行控制子板发送的控制信号，并判断各控制信号是否正确，并选择正确的控制信号对应的飞行控制子板控制无人机飞行。
可选的，所述飞行控制子板的数量为2N+1块，其中，N为正整数；
判断各控制信号是否正确时，所述飞行控制主板具体用于：
判断各飞行控制子板的控制信号是否相同；
若相同，将所述控制信号作为正确的控制信号；
若不相同，将占比高的控制信号作为正确的控制信号。
可选的，所述飞行控制主板包括：飞行控制子板接口电路，所述飞行控制子板接口电路包括多个排插接口，所述排插接口的一端与所述飞行控制主板相连接，另一端与各所述飞行控制子板一一对应连接。
可选的，所述飞行控制主板还包括：晶振时钟模块，用于产生时钟信号，并发送至飞行控制主板,以使所述飞行控制子板与所述飞行控制主板的时钟信号统一；
所述飞行控制主板，还用于将所述时钟信号发送至所述飞行控制子板。
可选的，所述飞行控制主板还包括：第一输入输出接口电路、电源检测电路、CPLD芯片；
所述第一输入输出接口电路，用于连接第一外部设备；
所述电源检测电路，用于检测电源电压及电源电量剩余；
所述CPLD芯片，用于控制各正确信号的发送与接收。
可选的，所述第一外部设备包括遥控器接收端、卫星导航设备、数传/图传设备、测高雷达设备、空速管、舵机、油门。
可选的，所述使能模块包括使能开关和使能电路，所述使能电路设置在所述飞行控制主板上，所述使能模块具体用于：在所述使能开关开启后，所述使能电路产生开始信号，并将开始信号通过所述飞行控制主板发送至各飞行控制子板，以使各飞行控制子板在无人机飞行之前控制信号同步。
可选的，所述飞行控制子板包括：MCU模块、第二输入输出接口电路、通用异步收发器，同步动态随机存取内存，非易失闪存和惯性导航单元；
所述第二输入输出接口电路，用于连接第二外部设备；
所述通用异步收发器，用于传输无人机的飞行数据。
可选的，所述第二外部设备包括板载惯性导航传感器。
第二方面，一种无人机，包括：无人机本体，及如第一方面所述的无人机飞行控制系统。
本发明采用以上技术方案，可以实现如下技术效果：通过将多个飞行控制子板均与飞行控制主板相连接，在飞行控制主板接收到使能模块发送的开始信号后，将开始信号发送至飞行控制子板，飞行控制子板接收到开始信号后，同步激活飞行控制模式，并向飞行控制主板发送控制信号，飞行控制主板接收各飞行控制子板发送的控制信号后，判断各控制信号是否正确，并选择正确的控制信号对应的飞行控制子板控制无人机飞行，如此，在某一或某几个飞行控制子板发生故障时，飞行控制主板可以及时选择发送正确控制信号的飞行控制子板，控制无人机飞行，从而及时避免飞行事故的发生，并且提高了无人机的容错性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的无人机飞行控制系统的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的无人机飞行控制系统的另一结构示意图；
图3是本发明实施例二提供的无人机的结构示意图。
附图标记：
飞行控制主板-1；晶振时钟模块-11；第一输入输出接口电路-12；电源检测电路-13；CPLD芯片-14；使能模块-15；飞行控制子板-2；MCU模块-21；第二输入输出接口电路-22；通用异步收发器-23；同步动态随机存取内存-24；非易失闪存-25；惯性导航单元-26；排插接口-3；无人机本体-4；无人机飞行控制系统-5。
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，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例一
图1是本发明实施例一提供的无人机飞行控制系统的结构示意图。如图1所示，本实施例提供一种无人机飞行控制系统，包括：
飞行控制主板1、多个飞行控制子板2，各飞行控制子板2均与飞行控制主板1相连接；
飞行控制主板1，用于通过所述飞行控制主板1上的使能模块15产生开始信号，并将开始信号发送至飞行控制子板2；
飞行控制子板2，用于接收飞行控制主板1发送的开始信号，并在接收到开始信号后，激活飞行控制模式，并向飞行控制主板1发送控制信号；
飞行控制主板1，还用于接收各飞行控制子板2发送的控制信号，并判断各控制信号是否正确，并选择正确的控制信号对应的飞行控制子板2控制无人机飞行。
本实施例中，通过将多个飞行控制子板2均与飞行控制主板1相连接，在飞行控制主板1接收到使能模块15发送的开始信号后，将开始信号发送至飞行控制子板2，飞行控制子板2接收到开始信号后，同步激活飞行控制模式，并向飞行控制主板1发送控制信号，飞行控制主板1接收各飞行控制子板2发送的控制信号后，判断各控制信号是否正确，并选择正确的控制信号对应的飞行控制子板2控制无人机飞行，如此，在某一或某几个飞行控制子板2发生故障时，飞行控制主板1可以及时选择发送正确控制信号的飞行控制子板2，控制无人机飞行，从而保障了无人机在空中的飞行安全，及时避免飞行事故的发生，并且提高了无人机的容错性能。
一些实施例中，判断各控制信号是否正确的方式有多种，例如，可以为：
判断各飞行控制子板2的控制信号是否相同；
若相同，将所述控制信号作为正确的控制信号；
若不相同，将占比高的控制信号作为正确的控制信号。
其中，飞行控制子板2的数量为2N+1块，其中，N为正整数；通过设置奇数个飞行控制子板2(以下简称子板)，可以在某一或某些子板故障时，由飞行控制主板1(以下简称主板)选择在各子板中，基于“少数服从多数”的原则，滤除出错的控制信号，将控制信号占比最高的作为正确的控制信号，那是因为，在子板中若出现故障，不会出现大面积的故障，而是会一个一个的故障，而在一个子板故障后，切换至正确控制信号的子板后，通常，会向操控人员发送失效警告，由操控人员将无人机降落，从而将故障的子板做必要的检测、更换和排除，从而将其进行修复。
优选的，N为1，即飞行控制子板2的数量为三块。在正常情况下，三块飞控子板都同步工作，互为热备份，当其中一块飞控子板失效，另外两块可平滑的接管飞行控制过程，使飞机能够继续正常飞行，并通过主板给出失效警告，三块飞行控制子板2既可以减轻无人机的重量，又可以降低成本。
一些实施例中，参照图2，飞行控制主板1包括：飞行控制子板2接口电路，飞行控制子板2接口电路包括多个排插接口3，排插接口3的一端与飞行控制主板1相连接，另一端与各飞行控制子板2一一对应连接。相应的，排插接口3也为2N+1个，即一块飞行控制子板2通过一个排插接口3连接在飞行控制主板1上。其中，排插接口3的管脚由飞行控制子板2的设计决定。
一些实施例中，飞行控制主板1还包括：晶振时钟模块11，用于产生时钟信号，并发送至飞行控制主板1；飞行控制主板1，还用于将时钟信号发送至飞行控制子板2,以使所述飞行控制子板2与所述飞行控制主板1的时钟信号统一。通过设置晶振时钟模块11，可以将主板和子板上电路模块都使用该晶振模块产生的时钟信号，以保证整个系统的同步性。
一些实施例中，飞行控制主板1还包括：第一输入输出接口电路12、电源检测电路13、CPLD芯片14；
第一输入输出(IO，in-out)接口电路，用于连接第一外部设备。其中，第一外部设备可以但不限于为遥控器接收端、卫星导航设备、数传/图传设备、测高雷达设备、空速管、舵机、、油门。该IO接口电路为双向，并支持多种通讯协议及接口总线(如UART、SPI、I2C等)，通过该IO接口，主板可以将测量到的实时数据分发给正确的子板用于控制运算，并选取正确的控制运算结果输出控制信号，用于控制飞行过程的姿态修正。
电源检测电路13，用于检测电源电压及电源电量剩余。通过设置电量检测电路实时检测主板上供电电路的电压变化，子板上的工作电源也来自于冗余主板上的供电电路，通过对供电电路电压的实时检测，并将该电源值通过IO接口传回控制地面站，提供给无人机操作人员参考，以监测飞行过程中的电源稳定，大大降低飞控系统及舵机由于电量不足而可能造成的风险。
CPLD芯片14，用于控制各信号的发送与接收。CPLD芯片14作为主板的核心，通过对硬件逻辑的编程，用于实现对子板的筛选及热备份，并根据筛选的结果，协调其它辅助模块(比如IO接口)协同运作，从而保证整个系统的功能有效性。
一些实施例中，所述使能模块15包括使能开关和使能电路，所述使能电路设置在所述飞行控制主板1上，使能开关安装在无人机操控面板上。所述使能模块15具体用于：在所述使能开关开启后，所述使能电路产生开始信号，并将开始信号通过所述飞行控制主板1发送至各飞行控制子板2，以使各飞行控制子板2在无人机飞行之前控制信号同步。使能模块15在系统开始工作时，经过其消抖电路产生1个上升沿信号，CPLD芯片14把上升沿信号同时分发给各个子板，子板接收到上升沿信号后产生硬件中断并同步输出信号(如PWM信号)的频率、相位，然后激活飞行控制模式并输出控制信号给主板。
一些实施例中，飞行控制子板2包括：MCU模块21、第二输入输出接口电路22、通用异步收发器23，同步动态随机存取内存24，非易失闪存25和惯性导航单元26；
第二输入输出接口电路22，用于连接第二外部设备。其中，第二输入输出接口电路22可以但不限于为SPI(串行外设接口)、I2C总线(双向二线制同步串行总线)，CAN总线(Controller Area Network，控制器局域网络)。第二外部设备可以但不限于为载板惯性导航传感器、以及通过控制器局域网络接口及I2C总线连接的可能的工作外设。
通用异步收发器23，用于传输无人机的飞行数据，可以连接数传模块，以获取数传模块中的数据。使用通用异步收发器23(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，简称UART)接口来跟外接数传模块进行飞行姿态数据、飞行日志数据、飞机控制命令、工作载荷数据(如机载摄像机拍摄的实时图像)等各种数据的交互。
可以理解的是，飞行控制子板2本身就是一个拥有完整功能的飞行控制系统，并且具有独立的微控制处理器(Micro Controller Unit，简称MCU)，同步动态随机存取内存24(Synchronous Dynamic Random-access Memory，简称SDRAM)，非易失闪存25(NOR Flash)和惯性导航单元26(IMU)。它可以通过脉冲位置调制信号(Pulse Position Modulation，PPM)接口来接收遥控器信号，惯性导航单元26按一定频率测量飞机的实时姿态数据。
实施例二
图3是本发明实施例二提供的无人机的结构示意图。如图3所示，本实施例提供一种无人机，包括：
无人机本体4，及如实施例一所述的无人机飞行控制系统5。
本实施例的具体实现方案可以参见上述无人机飞行控制系统实施例中的相关说明，此处不再赘述。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行装置执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种无人机飞行控制系统，其特征在于，包括：飞行控制主板、多个飞行控制子板，各所述飞行控制子板均与所述飞行控制主板相连接；
所述飞行控制主板，用于通过所述飞行控制主板上的使能模块产生开始信号，并将所述开始信号发送至所述飞行控制子板；
所述飞行控制子板，用于接收所述飞行控制主板发送的开始信号，并在接收到开始信号后，激活飞行控制模式，并向所述飞行控制主板发送控制信号；
所述飞行控制主板，还用于接收各所述飞行控制子板发送的控制信号，并判断各控制信号是否正确，选择正确的控制信号对应的飞行控制子板控制无人机飞行。
2.根据权利要求1所述的无人机飞行控制系统，其特征在于，所述飞行控制子板的数量为2N+1块，其中，N为正整数；
判断各控制信号是否正确时，所述飞行控制主板具体用于：
判断各飞行控制子板的控制信号是否相同；
若相同，将所述控制信号作为正确的控制信号；
若不相同，将占比高的控制信号作为正确的控制信号。
3.根据权利要求1所述的无人机飞行控制系统，其特征在于，所述飞行控制主板包括：飞行控制子板接口电路，所述飞行控制子板接口电路包括多个排插接口，所述排插接口的一端与所述飞行控制主板相连接，另一端与各所述飞行控制子板一一对应连接。
4.根据权利要求1所述的无人机飞行控制系统，其特征在于，所述飞行控制主板还包括：晶振时钟模块，用于产生时钟信号，并发送至飞行控制主板；
所述飞行控制主板，还用于将所述时钟信号发送至所述飞行控制子板,以使所述飞行控制子板与所述飞行控制主板的时钟信号统一。
5.根据权利要求1所述的无人机飞行控制系统，其特征在于，所述飞行控制主板还包括：第一输入输出接口电路、电源检测电路、CPLD芯片；
所述第一输入输出接口电路，用于连接第一外部设备；
所述电源检测电路，用于检测电源电压及电源电量剩余；
所述CPLD芯片，用于控制各信号的发送与接收。
6.根据权利要求5所述的无人机飞行控制系统，其特征在于，所述第一外部设备包括遥控器接收端、卫星导航设备、数传/图传设备、测高雷达设备、空速管、舵机、油门。
7.根据权利要求1所述的无人机飞行控制系统，其特征在于，所述使能模块包括使能开关和使能电路，所述使能电路设置在所述飞行控制主板上，所述使能模块具体用于：在所述使能开关开启后，所述使能电路产生开始信号，并将开始信号通过所述飞行控制主板发送至各飞行控制子板，以使各飞行控制子板在无人机飞行之前控制信号同步。
8.根据权利要求1所述的无人机飞行控制系统，其特征在于，所述飞行控制子板包括：MCU模块、第二输入输出接口电路、通用异步收发器，同步动态随机存取内存，非易失闪存和惯性导航单元；
所述第二输入输出接口电路，用于连接第二外部设备；
所述通用异步收发器，用于传输无人机的飞行数据。
9.根据权利要求8所述的无人机飞行控制系统，其特征在于，所述第二外部设备包括板载惯性导航传感器。
10.一种无人机，其特征在于，包括：无人机本体，及如权利要求1-9任一项所述的无人机飞行控制系统。
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