CN112650277A - 一种用于无人机电气设备的拓扑式在线编程方法及无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于无人机电气设备的拓扑式在线编程方法及无人机，涉及无人机技术领域，能够利用无人机对外单一接口，通过拓扑式结构对整机航电设备实现在线编程，提高工作效率，降低维护成本；该方法在无人机航电系统中选出一个设备作为主节点，与该设备有数据交换且具有潜在编程需求的其他设备均作为子节点；采用无线或有线的方式使编程设备与所述主节点通信连接，在所述主节点有编程需求时实现对所述主节点的编程，并通过主节点与子节点之间的数据交换路径实现对需要编程的各个子节点的编程。本发明提供的技术方案适用于无人机航电设备程序升级的过程中。
Description
【技术领域】
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种用于无人机电气设备的拓扑式在线编程方法及无人机。
【背景技术】
近年来，无人机行业进入快速发展阶段，航空电子技术日新月异，智能化程度越来越高，整机的航电设备众多，互联程度高，如飞控导航设备、电源管理设备、数据链设备、卫星导航设备等，通过总线或者数字化接口连接，无人机系统研发到一定阶段，硬件状态相对稳定，后期联试，主要以软件更新为主；或者无人机整机交付使用以后，部分单机的软件仍然存在迭代和更新的需求，以延长产品的生命力周期。这使得适用于无人机航电设备的相对便捷的在线编程技术显得较为重要。
目前，通常使用的航电设备的主芯片的程序更新方法有以下两种：
一种是将仿真器与相关航电设备的主芯片JTAG口相连，使用专用编程软件对主芯片进行编程。这种方法在单机调试仿真阶段比较适用，当单机仿真已经装机试验，往往需要打开无人机舱盖，拆出相关接口进行烧写，耗时耗力。
另一种是将后续需要更新程序的主要单机设备(如飞控导航设备)的数据接口作为调试接口引出到飞机的外部结构接口上。这种方法的缺点是受限于飞机有限的外部结构接口，能通过线缆引出进行程序更新的单机设备较少，而且占用一个通信接口，一定程度上浪费航电设备的资源，增加复杂性，降低可靠性。
上述两种方法，考虑人工维护成本或者硬件资源配置，均无法简单快捷地实现无人机航电设备的程序更新。
因此，有必要研究一种用于无人机电气设备的拓扑式在线编程方法及无人机来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供了一种用于无人机电气设备的拓扑式在线编程方法及无人机，能够利用无人机对外单一接口，通过拓扑式结构对整机航电设备实现在线编程；用于无人机中包含MCU、DSP等微处理器的电子设备的程序升级，提高工作效率，降低维护成本。
一方面，本发明提供一种用于无人机电气设备的拓扑式在线编程方法，其特征在于，所述方法的内容包括：在无人机航电系统中选出一个设备作为主节点，与该设备有数据交换且具有潜在编程需求的其他设备均作为子节点；
采用无线或有线的方式使编程设备与所述主节点通信连接，在所述主节点有编程需求时实现对所述主节点的编程，并通过主节点与子节点之间的数据交换路径实现对需要编程的各个子节点的编程。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，采用有线方式编程的触发条件为：判断主节点上有线编程使用的外部数据接口是否收到触发帧，若外部数据接口未收到触发帧，则退出编程程序，否则进行编程。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，采用无线方式编程的触发条件为：先判断无人机外部的硬件编程允许标志以及存储单元的无线编程软件允许标志，若同时满足编程条件，则判断是否收到触发帧，否则退出编程；
若收到触发帧，则根据触发帧中的节点信息进行编程，否则退出编程。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，对主节点或子节点进行编程前，先判断无人机本身是否满足编程触发条件，若是，则进入有线或无线编程，否则退出编程。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述编程触发条件包括无人机飞行状态、上电状态和软件复位状态，三种状态都满足条件时判定为满足编程触发条件，否则不满足。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述触发帧包括：帧头，表示数据通信的起始字节；节点标识，表示需要编程的节点编号；校验位，用于校验。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，编程时的数据传输内容包括：编程设备依次向无人机发送一帧起始帧、若干数据帧和两帧结束帧；编程设备发出的每一帧数据均需等待无人机的回报帧且正确后再发下一帧；连续收到两帧正确的针对结束帧的回报帧后判定编程结束。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，满足编程触发条件具体为：无人机飞行状态为在地面、上电状态为上电、软件复位状态为非复位状态。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，若编程设备未在规定的时间内收到正确的回报帧，则重新发送当前帧；若重新发送3次均未在规定时间内收到正确的回报帧，则退出编程。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述外部数据接口为串口、CAN总线接口和网络接口中的任意一种。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述外部数据接口为外部地测接口或者可拆卸的载荷接口。
另一方面，本发明提供一种无人机，其特征在于，所述无人机采用如上任一所述的在线编程方法进行程序烧录。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：本发明的方法利用无人机系统特点，综合考虑实用性和安全性，仅利用无人机对外单一接口，通过拓扑式结构对整机航电设备实现在线编程；能够用于无人机中包含MCU、DSP等微处理器的电子设备的程序升级，提高工作效率，降低维护成本。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的拓扑式在线编程整体框架示意图；
图2是本发明一个实施例提供的中心节点引导程序流程图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明提供一种用于无人机航电设备的在线编程方法，易于集成实现，便捷性高，以满足无人机整机调试研发和交付后产品的迭代升级。
该在线编程方法，主要包括拓扑式结构、软件架构及程序流程、数据接口形式、在线编程触发条件。
1、拓扑式结构：本技术方案硬件方面，依托于无人机航电系统的硬件，选取航电系统中的数据交换主节点，如飞控导航设备，作为在线编程的中心节点，利用一个外部数据接口或者无线通信接口可以实现主节点和所有与主节点有数据交换的子节点的在线程序更新，形成拓扑式结构。无线在线编程需在飞机对外接口加入一路硬件使能开关，视应用场景选用。
2、软件架构及程序流程：本方法主要实现形式为嵌入式软件，分为引导程序和应用程序，引导程序分为中心节点引导程序和子节点引导程序，在满足在线编程的触发条件时，中心节点引导程序能够完成中心节点航电设备的在线编程，和子节点选择和应用程序分发；子节点引导程序与主节点引导程序类似，但只配合主节点引导程序对子节点本身进行在线编程。
3、数据接口形式：本方法不限于数据接口，数据接口可以为串口、CAN总线接口、或者网络接口。同时，利用无人机的本身的特点可以选择无线或者有线形式实现在线编程。
4、在线编程的触发条件：主要包括飞机状态、上电状态和数据接口状态判断。为了安全性设计，防止误触发，无线形式的在线编程，需要飞机外部接口设置硬件开关，当硬件开关置位时，认为硬件编程允许标志有效，同时判断存储单元(掉电数据不丢失)中软件编程允许标志，方能触发无线模式下的在线编程；有线形式的在线编程，需要通过线缆连接外部地测接口或者可拆卸的载荷接口，发送触发数据帧触发在线编程。
如图1所示，本方法依赖无人机航电系统原有硬件连接关系构建拓扑式结构，不占用系统资源，有线模式下借助无人机原外部数据接口，如载荷接口或者地测口，无线模式下通过无人机的数据链(即无线通信链路，比如无人机与地面控制中心的通信)，通过地面烧写软件，与中心节点的引导程序一起实现形成拓扑结构的所有节点航电设备的在线编程。
如图2所示，拓扑结构的所有设备应用程序的数据文件均通过数据接口与中心节点的引导程序交互，通过中心节点的引导程序完成中心节点以及子节点的在线编程。本方法分为有线模式和无线模式，下面结合中心节点引导程序流程图，将两种流程和涉及的在线编程数据帧协议描述如下：
1、有线模式在线编程方法：
步骤1：将地面烧写软件通过无人机外部数据接口与中心节点建立连接，向中心节点连续发送触发帧，帧格式如表1所示。
表1帧格式
| 帧头 | 节点标识 | 校验位 |
其中：帧头为2个字节，表示数据通信的起始字节；节点标识2个字节，表示需要烧写的节点编号；校验位为1个字节，校验值为前面4个字节求和。
步骤2：系统上电，进入引导程序，首先判断是否软件复位，若不是，执行步骤3；若是则退出引导程序直接进入应用程序，不执行在线编程。
步骤3：判断空中/地面标志位，这个步骤需结合飞控导航设备中的掉电不丢失数据的存储单元的相关状态标志来实现，若在地面则执行步骤4；若在空中则直接退出引导程序进入应用程序，不执行在线编程。步骤2和步骤3均为针对无人机特性的安全保护措施。
步骤4：读取存储单元的无线程序更新允许标志，若不使能，则进入步骤5。
步骤5：解析触发数据帧，若一定时间内解析通过，则进入步骤5；否则超时退出在线编程，进入应用程序。
步骤6：通过步骤5成功解析到的节点号，选择更新中心节点还是子节点；若是中心节点，则按照自定义编程数据帧协议，向Flash进行程序数据文件的烧录，Flash读写操作方法为通用方法，这里不做描述；若是子节点，则将程序数据文件通过数据接口向相关子节点转发，此时实现了子节点与无人机外部接口的桥接，不限定子节点的引导程序的方法流程，因此子节点航电单机设备，不受限于开发单位，均可通过拓扑结构实现在线编程，这里不对子节点的引导程序和在线编程方法进行描述。
2、无线模式在线编程方法：
步骤1：无人机与地面处于无线连接状态，通过地面烧写软件发送程序无线更新指令，无人机中心节点应用程序收到指令后置无线更新软件允许状态。
步骤2：无人机断电，在无人机地面对外接口中打开允许程序更新使能开关，重启无人机，中心节点进入引导程序。
步骤3：引导程序初始化，并连通无线通信数据接口，同有线模式的步骤2-3进行判断。通过后进入步骤4，否则退出引导程序进入应用程序。
步骤4：读取存储单元的无线程序更新软件允许标志，若使能程序更新，则进入步骤5，否则退出引导程序进入应用程序。
步骤5：判断无线程序更新硬件允许标志，若使能则进入步骤6，否则退出引导程序进入应用程序。
步骤6：地面烧写软件通过无线通信接口向无人机发送触发数据帧(同有线模式触发帧)，引导程序进行节点号解析，解析到节点号之后按照有线模式的步骤6，进行在线编程。
3、在线编程中的自定义程序数据帧协议如下：
该数据帧和前面触发帧的关系是：不管有线还是无线编程模式，均需要先发送触发帧，进行节点选择，再发送数据帧对相应节点编程。
烧写软件分别向中心节点依次发送起始帧，数据帧和结束帧，引导程序返回回报帧。烧写软件的每一帧数据均需等待握手回报帧正确后再发下一帧，若一定时间T(根据实际需求情况确定)内无回报则重发同一帧，每一帧总计最多重发3次，若3次后仍未在规定时间内收到正确的回报帧，则判定为此次编程失败，重新判断并进行下一次编程。起始帧正常发送一次，结束帧正常发送两次，连续收到两帧正常回报代表在线编程结束。
1)起始帧帧结构如表2所示。
表2起始帧帧结构
| 帧头 | 起始帧标识 | 数据区 | CRC | CRC |
其中：总帧长64个字节，帧头为2个字节，标识2个字节，数据区58个字节，表示填充需要烧写的程序文件的名称和大小。校验位为2个字节，CRC校验。
2)数据帧帧结构如表3所示。
表3数据帧帧结构
其中：总帧长512个字节，帧头为2个字节，标识2个字节，帧计数2个字节，有效数据长度2个字节，有效数据区502个字节，不足502的填充0x00，校验位为2个字节，CRC校验。
3)结束帧帧结构如表4所示。
表4结束帧帧结构
| 帧头 | 结束帧标识 | CRC | CRC |
其中：总帧长8个字节，帧头为2个字节，标识4个字节，校验位为2个字节，CRC校验。
4)回报帧帧结构如表5所示。
表5回报帧帧结构
| 帧头 | 回报帧标识 | CRC | CRC |
其中：总帧长8个字节，帧头为2个字节，标识4个字节，起始帧、数据帧和回报帧的回报帧帧标识均不相同，校验位为2个字节，CRC校验。
综上所述，本发明通过合理设计，能通过单一接口实现有线模式和无线模式的无人机航电设备的拓扑式在线编程，提高了研发和生产效率，不占用系统资源，为无人机预植式硬件研发模式提供可行性，提高产品生命力。
本发明在线编程方法的优势在于：
1、相比传统程序烧写方法，不必拆装产品，降低研发后期和批产状态的升级维护成本，提高生产效率；
2、相比传统单机在线程序更新方法，本方法可通过外部一个接口或者无线方式，利用拓扑式结构更新多个设备，不限定子节点航电单机在线编程的方法流程，因此不同研制单位的单机产品，通过本方法均可便捷实现在线编程；
3、有线数据接口复用机载外部功能接口，不占用机载资源，简化系统设备；
4、本方法使无人机具备更深度的软件更新能力，整机控制设备、电源管理设备、卫星导航设备等都可以通过本方法实现不断更新升级，这样的话无人机研制单位可以通过预植更高阶的硬件系统，使无人机变成一个不断进化的“活系统”。
以上对本申请实施例所提供的一种用于无人机电气设备的拓扑式在线编程方法及无人机，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于无人机电气设备的拓扑式在线编程方法，其特征在于，所述方法的内容包括：在无人机航电系统中选出一个设备作为主节点，与该设备有数据交换且具有潜在编程需求的其他设备均作为子节点；
采用无线或有线的方式使编程设备与所述主节点通信连接，在所述主节点有编程需求时实现对所述主节点的编程，并通过主节点与子节点之间的数据交换路径实现对需要编程的各个子节点的编程。
2.根据权利要求1所述的用于无人机电气设备的拓扑式在线编程方法，其特征在于，采用有线方式编程的触发条件为：判断主节点上有线编程使用的外部数据接口是否收到触发帧，若外部数据接口未收到触发帧，则退出编程程序，否则进行编程。
3.根据权利要求1所述的用于无人机电气设备的拓扑式在线编程方法，其特征在于，采用无线方式编程的触发条件为：先判断无人机外部的硬件编程允许标志以及存储单元的无线编程软件允许标志，若同时满足编程条件，则判断是否收到触发帧，否则退出编程；
若收到触发帧，则根据触发帧中的节点信息进行编程，否则退出编程。
4.根据权利要求1所述的用于无人机电气设备的拓扑式在线编程方法，其特征在于，对主节点或子节点进行编程前，先判断无人机本身是否满足编程触发条件，若是，则进入有线或无线编程，否则退出编程。
5.根据权利要求4所述的用于无人机电气设备的拓扑式在线编程方法，其特征在于，所述编程触发条件包括无人机飞行状态、上电状态和软件复位状态，三种状态都满足条件时判定为满足编程触发条件，否则不满足。
6.根据权利要求2或3所述的用于无人机电气设备的拓扑式在线编程方法，其特征在于，所述触发帧包括：帧头，表示数据通信的起始字节；节点标识，表示需要编程的节点编号；校验位，用于校验。
7.根据权利要求2或3所述的用于无人机电气设备的拓扑式在线编程方法，其特征在于，编程时的数据传输内容包括：编程设备依次向无人机发送一帧起始帧、若干数据帧和两帧结束帧；编程设备发出的每一帧数据均需等待无人机的回报帧且正确后再发下一帧；连续收到两帧正确的针对结束帧的回报帧后判定编程结束。
8.根据权利要求5所述的用于无人机电气设备的拓扑式在线编程方法，其特征在于，满足编程触发条件具体为：无人机飞行状态为在地面、上电状态为上电、软件复位状态为非复位状态。
9.根据权利要求7所述的用于无人机电气设备的拓扑式在线编程方法，其特征在于，若编程设备未在规定的时间内收到正确的回报帧，则重新发送当前帧；若重新发送3次均未在规定时间内收到正确的回报帧，则判定编程失败。
10.一种无人机，其特征在于，所述无人机采用如权利要求1-9任一所述的在线编程方法进行程序烧录。
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| CN113467517A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-10-01 | 河北科技大学 | 故障条件下无人机集群的飞行控制方法和系统 |
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