CN111077841A - 一种基于双can总线的无人机飞行控制系统 - Google Patents

一种基于双can总线的无人机飞行控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于双CAN总线的无人机飞行控制系统，包括飞控计算机、导航计算机、存储单元、数传模块、传感器单元，选择CAN总线作为计算机插板间通信总线，实现可靠的数据交互，计算机中各个模块作为节点挂接在总线上选择两条独立CAN总线，将飞控计算机、导航计算机与执行机构挂接至总线CAN‑1将导航计算机、存储单元与传感器单元挂接至总线CAN‑2，保证飞控计算机、导航计算机计算、传输速度与精度的同时，可通过总线CAN‑2对传感器单元或其他模块单元进行扩展，总线CAN‑1中可根据需求连接冗余的飞控计算机、导航计算机，以实现飞行控制系统内部通信可靠性，实现更为精确的数据校准，保证系统数据传输的精确性。

Description

一种基于双CAN总线的无人机飞行控制系统
技术领域
本发明涉及飞行器自动控制领域，尤其涉及一种基于双CAN总线的无人机飞行控制系统。
背景技术
CAN总线最早是由德国Bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控制领域。CAN总线基于OSI模型，对其进行了优化，采用了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了实时性，其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信，各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。CAN总线采用短消息报文，每一帧有效字节数为8个，当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。CAN总线具有完备的错误检测、限制和处理机制，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
无人机飞行控制系统是无人机系统的核心子系统，是具有高性能的自主导航、自动飞行控制、任务管理的综合系统。现有的无人机的飞行控制系统存在抗干扰能力差，可扩展能力弱的问题，这已成为制约无人机飞行控制系统发展的瓶颈。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于双CAN总线的无人机飞行控制系统，为了提高无人机飞行控制系统的抗干扰能力、可扩展能力、以及计算能力，采用两条CAN总线实现无人机控制系统的设计。
为实现上述目的，本发明提供的一种基于双CAN总线的无人机飞行控制系统，包括两条CAN总线以及挂在CAN总线上的控制子系统，所述控制子系统包括飞控计算机、导航计算机、存储单元、传感器单元和数传模块，数传模块接收到的控制信号，以及传感器单元采集到的无人机状态信息均通过其中一条CAN总线CAN-2传输给导航计算机，导航计算机将接收到的无人机状态信息和控制信号经过卡尔曼滤波算法解算后，通过另一条CAN总线CAN-1传输给飞控计算机，飞控计算机将解算后的无人机状态信息和控制信号利用ADRC算法解算后，生成期望状态信息传输给导航计算机，导航计算机将无人机状态信息、控制信号与期望状态信息进行对比，将得到的对比结果返回飞控计算机，飞控计算机根据接收到的对比结果生成控制策略信息，通过总线CAN-1将控制策略信息传输至无人机的执行机构，实现对无人机的姿态和位置控制；
所述数传模块用于接收遥控器或地面站发出的控制信号，并将控制信号通过总线CAN-2传输给导航计算机；
所述传感器单元用于采集当前的无人机状态信息，并将当前的无人机状态信息通过总线CAN-2传输给导航计算机，所述无人机状态信息包括姿态信息、磁航向信息、高度信息、缸温和排气温度信息、转速信息、当前位置和速度信息；
所述导航计算机用于接收通过总线CAN-2传输的无人机状态信息和控制信号，并通过集成在导航计算机中的卡尔曼滤波算法对无人机状态信息、控制信号进行解算处理，然后将解算处理后的无人机状态信息、控制信号传输至飞控计算机；
所述飞控计算机首先将解算后的无人机状态信息、控制信号利用集成在飞控计算机中的ADRC算法进行解算处理，生成期望状态信息，并将所述期望状态信息传输给导航计算机；
所述导航计算机还用于将经卡尔曼滤波算法解算后的无人机状态信息、控制信号与期望状态信息进行对比，然后将生成的对比结果返回飞控计算机；
所述飞控计算机还用于根据接收到的对比结果生成控制无人机飞行的控制策略信息，并将控制策略信息通过总线CAN-1传输给无人机的执行机构；
所述存储单元用于存储和备份飞控计算机控制及计算处理过程中的过程信息，以及存储传感器单元采集到的当前无人机状态信息；
所述数传模块还用于将采集到的无人机状态信息传递给地面站。
所述传感器单元包括姿态传感器、磁传感器、气压高度计、温度传感器、转速传感器、GPS接收模块；
所述姿态传感器用于采集无人机的姿态信息；
所述磁传感器用于采集无人机的磁航向信息；
所述气压高度计用于采集无人机的高度信息；
所述温度传感器用于采集无人机上发动机的缸温和排气温度信息；
所述转速传感器用于采集无人机上发动机的转速信息；
所述GPS接收模块用于采集无人机的当前位置和速度信息。
进一步地，采用两条CAN总线实现无人机控制系统的设计，可以在两条CAN总线上接入n个导航计算机，同时在总线CAN-1上接入n个飞控计算机，当n≥2时，采用主从结构控制方式，以保证在主飞控计算机、主导航计算机发生故障时，启动备用的从飞控计算机、从导航计算机维持控制系统的正常运行，提高系统的冗余度，其中n为正整数。
进一步地，采用两条CAN总线实现无人机控制系统的设计，可以在总线CAN-2上接入多个传感器。
本发明的有益效果是：
本发明提出的基于双CAN总线的无人机飞行控制系统，采用两条CAN总线实现无人机控制系统的设计，可以实现多个飞控计算机、导航计算机、传感器以及其他单元模块的搭载，不仅提高了无人机飞行控制系统的抗干扰能力、可扩展能力、以及计算能力，而且提高了系统的冗余度，有效保证了系统的高稳定性。
附图说明
图1为本发明中的基于双CAN总线的无人机飞行控制系统框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。
如图1所示，一种基于双CAN总线的无人机飞行控制系统，包括两条CAN总线以及挂在CAN总线上的控制子系统，所述控制子系统包括飞控计算机、导航计算机、存储单元、传感器单元和数传模块，数传模块接收到的控制信号，以及传感器单元采集到的无人机状态信息均通过其中一条CAN总线CAN-2传输给导航计算机，导航计算机将接收到的无人机状态信息和控制信号经过卡尔曼滤波算法解算后，通过另一条CAN总线CAN-1传输给飞控计算机，飞控计算机将解算后的无人机状态信息和控制信号利用ADRC算法解算后，生成期望状态信息传输给导航计算机，导航计算机将无人机状态信息、控制信号与期望状态信息进行对比，将对比结果返回飞控计算机，飞控计算机根据接收到的对比结果生成控制策略信息，通过总线CAN-1将控制策略信息传输至无人机的执行机构，实现对无人机的姿态和位置控制；
所述数传模块用于接收遥控器或地面站发出的控制信号，并将控制信号通过总线CAN-2传输给导航计算机；
所述传感器单元用于采集当前的无人机状态信息，并将当前的无人机状态信息通过总线CAN-2传输给导航计算机，所述无人机状态信息包括姿态信息、磁航向信息、高度信息、缸温和排气温度信息、转速信息、当前位置和速度信息；
传感器单元包括姿态传感器、磁传感器、气压高度计、温度传感器、转速传感器、GPS接收模块；
所述姿态传感器用于采集无人机的姿态信息；
所述磁传感器用于采集无人机的磁航向信息；
所述气压高度计用于采集无人机的高度信息；
所述温度传感器用于采集无人机上发动机的缸温和排气温度信息；
所述转速传感器用于采集无人机上发动机的转速信息；
GPS接收模块用于采集无人机的当前位置和速度信息；
导航计算机用于接收通过总线CAN-2传输的无人机状态信息和控制信号，并通过集成在导航计算机中的卡尔曼滤波算法对无人机状态信息、控制信号进行解算处理，然后将解算处理后的无人机状态信息、控制信号传输至飞控计算机；
飞控计算机首先将解算后的无人机状态信息、控制信号利用集成在飞控计算机中的ADRC算法进行解算处理，生成期望状态信息，并将所述期望状态信息传输给导航计算机；
导航计算机还用于将经卡尔曼滤波算法解算后的无人机状态信息、控制信号与期望状态信息进行对比，然后将生成的对比结果返回飞控计算机；
飞控计算机还用于根据接收到的对比结果生成控制无人机飞行的控制策略信息，并将控制策略信息通过总线CAN-1传输给无人机的执行机构；
存储单元用于存储和备份飞控计算机控制及计算处理过程中的过程信息，以及存储传感器单元采集到的当前无人机状态信息；
数传模块还用于将采集到的无人机状态信息传递给地面站。
采用两条CAN总线实现无人机控制系统的设计，可以在两条CAN总线上接入n个导航计算机，同时在总线CAN-1上接入n个飞控计算机，当n≥2时，采用主从结构控制方式，以保证在主飞控计算机、主导航计算机发生故障时，启动备用的从飞控计算机、从导航计算机维持控制系统的正常运行，提高系统的冗余度，其中n为正整数。
采用两条CAN总线实现无人机控制系统的设计，可以在总线CAN-2上同时接入多个传感器。
本实施例中的导航计算机的型号为SAU-023X，集成有卡尔曼滤波算法，用于解算接收到的状态信息和控制信号，飞控计算机的型号为SAU-X33X，集成有自抗扰控制算法(简称ADRC)，用于生成期望状态信息，并且飞控计算机上集成有存储单元，图1中的导航计算机A、飞控计算机A表示备用模块，分别与导航计算机、飞控计算机为同一个型号，姿态传感器的型号为ADXRS453，安装在导航计算机上，磁传感器的型号为HMC5883L，安装在导航计算机上，气压高度计的型号为MPX4115A，安装在CAN总线上，温度传感器的型号为HIH-3602，安装在CAN总线上，转速传感器的型号为NHE520-N，安装在CAN总线上，GPS接收模块的型号为ublox M8N，安装在导航计算机上。
与现有技术相比，基于双CAN总线的无人机飞行控制系统，可附加连接在总线CAN-1上的飞控计算机、导航计算机，提高系统的容错率与稳定性，在遭遇某单个单元故障时，保证系统的正常运行，提高系统计算能力和数据传输速度与精度；在此基础上，可通过总线CAN-2使存储单元、传感器单元、数传模块与总线CAN-1关联设备相对对立，在总线CAN-2上连接多个模块单元时，对总线CAN-1影响较低，可同时保证总线CAN-2的扩展性以及总线CAN-1的高速计算能力与数据传输能力。
基于上述控制系统的作业流程如下：
步骤①：系统上电后，两条CAN总线CAN-1、CAN-2，导航计算机，飞控计算机，导航计算机A，飞控计算机A，其他模块，存储单元，姿态传感器，磁传感器，气压高度计，温度传感器，转速传感器，GPS接收模块，数传模块，其他传感器或单元模块同时开启；
步骤②：姿态传感器、磁传感器、气压高度计、温度传感器、转速传感器、GPS接收模块开始采集数据，并与飞控计算机、飞控计算机A通过总线CAN-1进行数据传输，与导航计算机、导航计算机A通过总线CAN-2进行数据传输；
步骤③：飞控计算机、飞控计算机A接收数传模块的控制信号，根据接收到的控制信号，导航计算机、导航计算机A通过总线CAN-2接收无人机状态信息，并存储至存储单元，所述无人机状态信息为姿态传感器采集的无人机姿态信息、磁传感器采集的无人机磁航向信息、气压高度计采集的无人机高度信息、温度传感器采集的无人机发动机缸温和排气温度信息、转速传感器采集的无人机发动机转速信息、GPS接收模块采集的无人机位置和速度信息中的任意一种或任意多种；
步骤④：飞控计算机、飞控计算机A根据以上各传感器采集到的无人机状态信息制定控制策略信息，并将该控制策略信息通过总线CAN-1发送给执行机构控制舵机转动。

Claims (4)

1.一种基于双CAN总线的无人机飞行控制系统，其特征在于，包括两条CAN总线以及挂在CAN总线上的控制子系统，所述控制子系统包括飞控计算机、导航计算机、存储单元、传感器单元和数传模块，数传模块接收到的控制信号，以及传感器单元采集到的无人机状态信息均通过其中一条CAN总线CAN-2传输给导航计算机，导航计算机将接收到的无人机状态信息和控制信号经过卡尔曼滤波算法解算后，通过另一条CAN总线CAN-1传输给飞控计算机，飞控计算机将解算后的无人机状态信息和控制信号利用ADRC算法解算后，生成期望状态信息传输给导航计算机，导航计算机将无人机状态信息、控制信号与期望状态信息进行对比，将得到的对比结果返回飞控计算机，飞控计算机根据接收到的对比结果生成控制策略信息，通过总线CAN-1将控制策略信息传输至无人机的执行机构，实现对无人机的姿态和位置控制；
所述数传模块用于接收遥控器或地面站发出的控制信号，并将控制信号通过总线CAN-2传输给导航计算机；
所述传感器单元用于采集当前的无人机状态信息，并将当前的无人机状态信息通过总线CAN-2传输给导航计算机，所述无人机状态信息包括姿态信息、磁航向信息、高度信息、缸温和排气温度信息、转速信息、当前位置和速度信息；
所述导航计算机用于接收通过总线CAN-2传输的无人机状态信息和控制信号，并通过集成在导航计算机中的卡尔曼滤波算法对无人机状态信息、控制信号进行解算处理，然后将解算处理后的无人机状态信息、控制信号传输至飞控计算机；
所述飞控计算机首先将解算后的无人机状态信息、控制信号利用集成在飞控计算机中的ADRC算法进行解算处理，生成期望状态信息，并将所述期望状态信息传输给导航计算机；
所述导航计算机还用于将经卡尔曼滤波算法解算后的无人机状态信息、控制信号与期望状态信息进行对比，然后将生成的对比结果返回飞控计算机；
所述飞控计算机还用于根据接收到的对比结果生成控制无人机飞行的控制策略信息，并将控制策略信息通过总线CAN-1传输给无人机的执行机构；
所述存储单元用于存储和备份飞控计算机控制及计算处理过程中的过程信息，以及存储传感器单元采集到的当前无人机状态信息；
所述数传模块还用于将采集到的无人机状态信息传递给地面站。
2.根据权利要求1所述的一种基于双CAN总线的无人机飞行控制系统，其特征在于，所述传感器单元包括姿态传感器、磁传感器、气压高度计、温度传感器、转速传感器、GPS接收模块；
所述姿态传感器用于采集无人机的姿态信息；
所述磁传感器用于采集无人机的磁航向信息；
所述气压高度计用于采集无人机的高度信息；
所述温度传感器用于采集无人机上发动机的缸温和排气温度信息；
所述转速传感器用于采集无人机上发动机的转速信息；
所述GPS接收模块用于采集无人机的当前位置和速度信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于双CAN总线的无人机飞行控制系统，其特征在于，采用两条CAN总线实现无人机控制系统的设计，可以在两条CAN总线上接入n个导航计算机，同时在总线CAN-1上接入n个飞控计算机，当n≥2时，采用主从结构控制方式，以保证在主飞控计算机、主导航计算机发生故障时，启动备用的从飞控计算机、从导航计算机维持控制系统的正常运行，提高系统的冗余度，其中n为正整数。
4.根据权利要求1所述的一种基于双CAN总线的无人机飞行控制系统，其特征在于，采用两条CAN总线实现无人机控制系统的设计，可以在总线CAN-2上接入多个传感器。
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