CN112363534B - 一种用于抢占式操作系统的无人机飞控余度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无人机飞控系统技术领域，公开了一种用于抢占式操作系统的无人机飞控余度控制方法。首先需要准备软硬件，硬件部分包括双CPU，用于握手两路IO口，双CPU之间数据交互的串行通信，双存储，底层数据收发模块，其中主CPU定义为CPUA，备份定义为CPUB，软件部分包括基于优先级抢占嵌入式系统，如μC/OS‑II、国产天脉系统，集成开发环境，加载工具，无人直升机飞行控制程序，控制律解算模块、导航与制导模块、指令与状态收发模块、自动驾驶、应急返航等一系列完整飞行控制程序。
Description
技术领域
本发明属于无人机飞控系统技术领域，涉及一种用于抢占式操作系统的无人机飞控余度控制方法。
背景技术
飞行控制系统是无人直升机的大脑，主要完成飞行姿态(俯仰、横滚和航向)控制、导航管理、发动机管理、机载设备管理、制导控制管理、系统监管等多项飞行任务。飞行控制系统对无人直升机的安全性至关重要，为提高可靠性，大部分飞行控制系统都采用余度设计。
当前无人直升机飞行控制系统已经具备了自主巡航、自主起飞、自主着陆等基础功能，但随着未来无人直升机的显模型控制、鲁棒控制、人工智能应用大量实现，相应的伴随着偶发任务，非周期任务，非实时任务等增多。当前的余度管理技术都是基于强实时的嵌入式系统，其在时间约束、资源约束、执行顺序约束、性能约束必然非常复杂，进而扩展性、维护性、可预测性、服务质量降低。与之对应的抢占式调度实时性、反应快、调度算法简单，多核CPU应用方便，能适应未来的发展需求。抢占式调度操作系统中实施余度管理技术在国内外属于空白。
发明内容
本发明的目的：
解决基于优先级抢占式操作系统中的飞行控制余度控制的问题。
一种用于抢占式操作系统的无人机飞控余度控制方法，包括以下步骤：
第一步：飞控系统上电自检，并读取自身硬件信息，判断主备CPUA的ID，并由CPUA接管飞控系统，打开CPUA的输出通道；CPUB作为备份并关闭CPUB的输出通道；
第二步：CPUA和CPUB进行握手，若握手成功则初始化飞行任务且将握手失败计数器SwitchFlag清零，若连续五次握手失败则报错并终止执行飞行任务；
第三步：初始化飞行任务后CPUA正常控制飞控系统，且CPUA与CPUB之间互相监控握手信号是否正常；
第四步：CPUA与CPUB之间将各自的输出结果相互比较；若输出结果差值在5％以内，则不触发告警，若输出结果差值超过5％，则飞控系统将告警信息发送至地面监控设备。
进一步，所述步骤三中，CPUA与CPUB还相互检测串行通信是否正常。
进一步，若CPUB未收到CPUA的握手信号且未收到CPUA的串行通信数据时，握手失败计数器SwitchFlag加1。
进一步，若握手失败计数器计数值超过设定阈值，则激活CPUB并由CPUB接管飞控，打开CPUB输出通道。
进一步，CPUB激活后触发飞控系统应急控制策略。
进一步，所述应急控制策略包括：继续飞行、返航或自动着陆。
进一步，CPUB激活后飞控系统将CPUB切换信息和应急控制策略触触发信息发送至地面监控设备。
进一步，CPUA检测到CPUB打开输出通道后关闭CPUA输出通道。
进一步，握手失败计数器设定阈值为2～5。
有益效果：
1)本发明能解决抢占式嵌入式操作系统的余度控制问题；
2)在主CPU失效的情况下，备份CPU能平滑控制无人机；
3)数据的互比结果能实时反馈至地面监测人员，给予地面人员时间来实施应急返航与着陆；
4)具备一次故障的能力，安全成本较低；
5)实施简单，性价比高。
附图说明
图1为飞控系统计算机硬件示意图；
图2为余度管理结构流程图；
图3为握手函数流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所涉及的设计方法做进一步详细说明。
一种用于抢占式操作系统的飞控余度控制方法，首先需要准备软硬件，硬件部分包括双CPU，用于握手的两路IO口，双CPU之间数据交互的串行通信，双存储，底层数据收发模块(FPGA或者DSP板)，其中主CPU定义为CPUA，备份CPU定义为CPUB，硬件架构如图1所示；软件部分包括基于优先级抢占嵌入式系统(如μC/OS-II、国产天脉系统)，集成开发环境，加载工具，无人机飞行控制程序(控制律解算模块、导航与制导模块、指令与状态收发模块、自动驾驶、应急返航等一系列完整飞行控制程序)。
本发明方法如图2所示，具体实现步骤如下：
1)第一步：飞控系统上电自检，通过读取硬件信息，判断主备CPU的ID，CPUA接管飞控，打开输出通道，CPUB作为备份，关闭输出通道。
2)第二步：CPUA和CPUB进行握手，握手函数如图3所示。若握手成功则初始化飞行任务且将握手失败计数器SwitchFlag清零，若连续五次握手失败则报错并终止执行飞行任务。
3)第三步：初始化后CPUA进入正常飞行控制，同时将对最终的输出控制结果互比，将互比信息显示于地面监控设备。当数据对比误差超过阈值5％时，或双CPU状态不一致时，告知地面监测人员，由人决定是否应急或者切换CPU控制权。CPUB监控握手信号、串行通信是否正常。CPUB会将本拍的互比误差计入下一拍的控制计算中，从而消除时间累计的误差。
4)第四步：正常情况下，硬件上既有握手，又有串行通信，双CPU如果能正常解算，握手信号、通信都应该是正常的。如果握手正常、通信正常，计数器SwitchFlag清零；如果出现无握手信号、无串行通信数据，握手失败计数器SwitchFlag加1。
5)第五步：如果计数器超过阈值，BCPU激活，接管飞控，打开输出控制通道。阈值范围在2～5次为宜，太少容易产生误报，太多影响飞行安全。同时将BCPU已经被激活的信息发送至地面监控设备。
6)第六步：BCPU接管飞控后，立即触发应急控制策略，如果接近目标降落点则继续飞行，如果接近起飞点返航，如果附近存在备降点则调整路径自动着陆等。
本发明的关键点：
1)余度中各CPU之间属于互斥关系，同一时刻只允许其一对外输出控制。
2)即使是相同的晶振、相同的CPU、相同的代码、同时启动、周期性的较准时序，抢占式操作系统的同一时刻的执行的代码很少相同。与传统的强实时的嵌入式余度管理系统相比，本方案不要求采集顺序、运算顺序、执行顺序时刻同步，只是定期对最终的输出控制结果进行互比。
3)为避免双CPU的程序执行握手时序误差无限扩大，余度管理任务优先级设置为最高，同时在握手函数中添加死循环等待，抵消运行较快的CPU速度。
4)由于两CPU在运行过程中无法构成绝对镜像关系，对传感器采样、控制律的计算、指令收发存在先后顺序，随着时间的推移，两CPU的输出控制累计误差越来越大，需要使用CPUA计算值计入CPUB下一拍的输出控制中，保护无人机在切换过程中免受冲击。
5)双CPU的最终的输出控制结果，包括纵向操纵、横向操纵、垂向操纵、系统状态等关键数据进行周期性互比，误差超出5％时需将告警信息发送至地面监控设备，地面监测人员能根据告警信息，决定CPU切换或者飞控应急策略。
6)CPUB确认CPUA失效后，能主动接管飞控，并触发应急策略。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原来的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于抢占式操作系统的无人机飞控余度控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
第一步：飞控系统上电自检，并读取自身硬件信息，所述飞控系统包含主CPU和备份CPU，分别记为CPUA和CPUB，判断CPUA和CPUB的ID，并由CPUA接管飞控系统，打开CPUA的输出通道；关闭CPUB的输出通道；
第二步：CPUA和CPUB进行握手，若握手成功则初始化飞行任务且将握手失败计数器SwitchFlag清零，若连续五次握手失败则报错并终止执行飞行任务；
第三步：初始化飞行任务后CPUA正常控制飞控系统，且CPUA与CPUB之间互相监控握手信号是否正常；
第四步：CPUA与CPUB之间将各自的输出结果相互比较；若输出结果差值在5％以内，则不触发告警，若输出结果差值超过5％，则飞控系统将告警信息发送至地面监控设备。
2.根据权利要求1所述的一种用于抢占式操作系统的无人机飞控余度控制方法，其特征在于：所述步骤三中，CPUA与CPUB还相互检测串行通信是否正常。
3.根据权利要求2所述的一种用于抢占式操作系统的无人机飞控余度控制方法，其特征在于：若CPUB未收到CPUA的握手信号且未收到CPUA的串行通信数据时，握手失败计数器SwitchFlag加1。
4.根据权利要求3所述的一种用于抢占式操作系统的无人机飞控余度控制方法，其特征在于：若握手失败计数器计数值超过设定阈值，则激活CPUB并由CPUB接管飞控，打开CPUB输出通道。
5.根据权利要求4所述的一种用于抢占式操作系统的无人机飞控余度控制方法，其特征在于：CPUB激活后触发飞控系统应急控制策略。
6.根据权利要求5所述的一种用于抢占式操作系统的无人机飞控余度控制方法，其特征在于：所述应急控制策略包括：继续飞行、返航或自动着陆。
7.根据权利要求6所述的一种用于抢占式操作系统的无人机飞控余度控制方法，其特征在于：CPUB激活后飞控系统将CPUB切换信息和应急控制策略触触发信息发送至地面监控设备。
8.根据权利要求4所述的一种用于抢占式操作系统的无人机飞控余度控制方法，其特征在于：CPUA检测到CPUB打开输出通道后关闭CPUA输出通道。
9.根据权利要求4所述的一种用于抢占式操作系统的无人机飞控余度控制方法，其特征在于：握手失败计数器设定阈值为2～5。
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