CN113093609A - 一种用于行动物体驱动控制的高可靠性冗余控制装置 - Google Patents

一种用于行动物体驱动控制的高可靠性冗余控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于行动物体驱动控制的高可靠性冗余控制装置，属于通信控制领域，其中行动物体包括至少一个动力执行机构，冗余控制装置包括至少两个主控系统以及至少一个动力控制单元，主控系统用于向一个或者多个动力控制单元发送控制指令，动力控制单元用于根据接收到的控制指令对单个动力执行机构进行控制，以便于调整行动物体的姿态和/或运动方向；其中，每个主控系统分别与全部的动力控制单元连接成环网结构。本发明结构设计巧妙，通过配置更多数量的主控系统，并使各个主控系统分别与动力控制单元连接成环网结构，从而大大增加了整体的可靠性和冗余能力。

Description

一种用于行动物体驱动控制的高可靠性冗余控制装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种用于行动物体驱动控制的高可靠性冗余控制装置。
背景技术
行动物体，包括轮式车辆、履带式车辆、螺旋桨推进船舶、喷水推进船舶、旋翼机、螺旋桨飞机、喷气式飞机等各类型的陆海空装备。行动物体的运动以及姿态的控制通常是通过调节其上所搭载的动力执行机构的工作状态来实现的。其中，动力执行机构则通常为通过轴输出动力的轴输出装置，譬如电机、内燃机，汽轮机等，或者是通过喷射工作物质输出动力的反推装置。譬如当工作物质为气体时，反推装置则为喷气推进装置；当工作物质为液体，例如水时，反推装置则为喷水推进装置。
对于行动物体上搭载的动力执行机构控制的可靠性，是保证行动物体正常稳定工作的前提。现有技术中，行动物体上搭载的每个动力执行结构都配置有用于独立对其进行控制的动力控制单元，动力控制单元再接收主控系统的集中控制。工作时，通过主控系统分别向各个动力控制单元发送控制指令，再由各个动力控制单元根据其所接收到的控制指令，独立地对各自所连接的动力执行机构进行控制，从而联合地实现对行动物体姿态和运动方向的调整。
但是，现有技术中，主控系统都是通过单独的通信链路与各个动力控制单元实现通信，因此，当任意的通信链路发生故障导致通信中断时，该通信链路所连接的动力控制单元则无法再继续接收控制指令，从而使与其连接的动力执行机构不受控，从而影响行动物体的正常工作，使得控制过程的可靠性不高。
发明内容
针对现有技术存在的搭载有动力执行机构的行动物体，其驱动控制的可靠性低，用于控制操作的通信链路出现故障后容易导致控制失效的问题，本发明的目的在于提供一种用于行动物体驱动控制的高可靠性冗余控制装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一方面，本发明提供一种用于行动物体驱动控制的高可靠性冗余控制装置，所述行动物体包括至少一个动力执行机构，包括至少两个主控系统以及至少一个动力控制单元，所述主控系统用于向一个或者多个所述动力控制单元发送控制指令，所述动力控制单元用于根据接收到的所述控制指令对单个所述动力执行机构进行控制，以便于调整所述行动物体的姿态和/或运动方向；其中，每个所述主控系统分别与全部的所述动力控制单元连接成环网结构。
优选的，所述动力执行机构为通过轴输出动力的轴输出装置或者通过喷射工作物质输出动力的反推装置。
优选的，所述轴输出装置为电动机或者内燃机。
优选的，反推装置为喷气推进装置或者喷水推进装置。
优选的，每个所述主控系统以及全部的所述动力控制单元通过通信链路串接成环网结构。
优选的，所述通信链路包括单条或者多条通信介质。
优选的，所述环网结构通过支持环形冗余网络的协议实现。
另一方面，本发明还提供一种车辆，包括底盘、车轮和动力执行机构，还包括如上所述的冗余控制装置，其中，所述动力控制单元的数量与所述动力执行机构的数量相同且一一对应地连接。
优选的，所述动力执行机构为电机，所述电机为轮边电机或者轮毂电机。
再一方面，本发明还提供一种船舶，包括船体和安装在所述船体上的动力执行机构，所述动力执行机构为喷水推进装置，还包括如上所述的冗余控制装置，其中，所述动力控制单元的数量与所述喷水推进装置的数量相同且一一对应地连接。
采用上述技术方案，由于主控系统与全部的动力控制单元都是通过通信链路连接而成的环网结构的设置，使得动力控制单元之间或者动力控制单元与每个主控系统之间的通信链路中断时，整体的通信功能依然能够保持，使行动物体的各个动力执行机构依然能够得到正常控制，从而提高可靠性；另外，又由于主控系统至少两个，且每个主控系统分别与全部的动力控制单元通过通信链路连接成环网结构的设置，使得任意3条通信链路中断后，系统依然能够保持通信能力，进一步的提高了对行动物体上动力执行机构驱动控制的可靠性。
附图说明
图1为本发明一种冗余容置装置的结构示意图；
图2为本发明一种冗余容置装置中单个环网结构的结构示意图；
图3为单个环网结构中断两条通信链路的一种结构示意图；
图4为单个环网结构中断两条通信链路的另一种结构示意图；
图5为单个环网结构中断两条通信链路的另一种结构示意图；
图6为单个环网结构中断两条通信链路的另一种结构示意图；
图7为单个环网结构中断两条通信链路的另一种结构示意图；
图8为单个环网结构中断三条通信链路的一种结构示意图。
图中:1-主控系统、2-动力控制单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。
另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
一种用于行动物体驱动控制的高可靠性冗余控制装置，其中，行动物体指的是轮式车辆、履带式车辆、螺旋桨推进船舶、喷水推进船舶、旋翼机、螺旋桨飞机、喷气式飞机等各类型的陆海空装备，行动物体的运动方向以及姿态的控制是通过调节其上所搭载的动力执行机构的工作状态来实现的。其中，动力执行机构则为通过轴输出动力的轴输出装置或者是通过喷射工作物质输出动力的反推装置；而上述的轴输出装置为电机、内燃机，汽轮机等，而当工作物质为气体时，上述的反推装置为喷气推进装置，当工作物质为液体，例如水时，上述反推装置则为喷水推进装置。
本实施例提出的冗余控制装置用于对行动物体上的动力执行机构进行控制，如图1所示，本发明提供的冗余控制装置包括有至少两个主控系统1和至少一个动力控制单元2。通常，动力控制单元2的数量并不固定，其数量由被控制的行动物体决定，动力控制单元2的数量与行动物体上的动力执行机构的数量相同，并且通常动力控制单元2与动力执行机构一一对应地连接。具体在本实施例中，优选配置动力控制单元2的数量均为四个，主控系统1的数量为两个进行详细说明，再进一步的，本实施例以分别在四个车轮处搭载四个电机作为动力执行机构的汽车为例进行举例说明，如图1所示。
本实施例中，主控系统1用于向一个或者多个动力控制单元2发送控制指令，该控制指令可由主控系统1生成，也可以由其他设备生成。动力控制单元2则对其所接收到的控制指令进行处理，并根据处理结果控制与其对应连接的动力执行机构执行相应的动作，以便于调整行动物体的姿态和/运动方向，动力执行机构可执行的动作包括有驱动、制动和方向中的一个或者多个，对应的，动力控制单元2则包括驱动控制子单元、制动控制子单元和矢量方向控制子单元中的一个或者多个。另外，每个主控系统1分别与全部的动力控制单元2连接成环网结构。
本实施例中，配置主控系统1包括有两个连接端口，而动力控制单元2包括有四个(该数量是主控系统1数量的两倍)连接端口，连接端口例如是以太网接口，用于接收和转发数据，例如上述的各类信号。
对于其中一个主控系统1以及全部的动力控制单元2，通过通信链路使其连接成一个环网结构，记为第一环网结构。同样的，对于另一个主控系统1以及全部的动力控制单元2，使其通过通信链路连接成另一个环网结构，记为第二环网结构。
以其中一个环网结构为例，其联网过程为：主控系统1的一个连接端口通过一段通信链路连接一个动力控制单元2的其中一个连接端口，该动力控制单元2的另一个连接端口则再通过一段通信链路连接下一个动力控制单元2的其中一个连接端口，依次类推，直至最后一个动力控制单元2的另一个连接端口也通过一段通信链路连接到主控系统1的另一个连接端口，从而连接成环状，即上述的环网结构。以此类推，可连接成另一个环网结构，通常，主控系统1的数量即为环网结构的数量。另外，动力控制单元2的连接顺序可以根据被驱动行动物体的工作环境可能会出现的失效场景概率决定，通信链路的走线形式可根据被驱动行动物体的机械构造和工作环境特性进一步优化可靠性。
而本实施例中，上述的环网结构通过支持环形冗余网络的以太网协议实现，例如Profinet或者EtherCAT工业总线实现。而通信链路为双向双工链路(使任意两个设备单元之间能够进行双向的数据传输)，例如全双工，其包括单条或者多条通信介质。
通过上述特征的设置，使得两个环网结构均能够独立工作，即便任一个环网结构中的部分通信链路发生中断，整个系统也不会完全失效，依然能够全部或者部分的保持工作能力，具体分析如下：
冗余控制装置中有一条通信链路发生中断时，本实施例中的冗余控制装置能够保持正常工作，不失去对任何动力执行机构的控制能力。由于两个环网结构在功能上是等同的，因此只分析其中一个环网结构的情况，如图2所示，在该环网结构中，任一条通信链路中断时，全部的动力控制单元2依然能够与主控系统1保持通信，从而维持对各个动力执行机构的控制。
冗余控制装置中有两条通信链路发生中断时，本实施例中的冗余控制装置依然能够保持正常工作，不失去对任何动力执行机构的控制能力。例如，当两条中断的通信链路都属于第一环网结构时，如图3-4所示的四种情况，只有四分之一的动力执行机构受到影响，有且仅有如图7所示的情况下，冗余控制装置对动力执行机构的通信和控制全部失效，但是，第二环网结构不受影响，从而使全部的动力执行机构均能够得到控制；反之，当两条中断的通信链路都属于第二环网结构时，冗余控制装置也能够正常工作；而当两条中断的通讯链路分别有一条属于第一环网结构和第二环网结构时，根据上述的分析可知，两个环网结构的工作均不受影响。
冗余控制装置中有三条通信链路发生中断时，本实施例中的冗余控制装置依然能够保持正常工作，不失去对任何动力执行机构的控制能力。例如，当三条通信链路都中断在第一环网结构时，如图8所示，最多只有两个动力执行机构能够正常工作，但是第二环网结构不受影响，从而使全部的动力执行机构均能够得到控制。反之，当三条通信链路都中断在第二环网结构时，第一环网结构则不受影响。而两条通信链路中断在第一环网结构，另一条通信链路中断在第二环网结构时，根据上述的分析，第一环网结构的工作受到影响，但是第二环网结构能够正常工作，因此启用第二环网结构即可，反之则继续使用第一环网结构。
冗余控制装置中有四条通信链路发生中断时，大部分情况下，本实施例中的冗余控制装置能够保持正常工作，不失去对任何动力执行机构的控制能力。例如：当四条通信链路都中断在第一环网结构，或者是都中断在第二环网结构时，系统的工作不受影响。当有一条通信链路发生在第一环网结构和第二环网结构中的一个，而三条通信链路发生在第一环网结构和第二环网结构中的另一个时，系统的工作也不受影响。只有每个环网结构各有两条通信链路中断时，系统的工作才可能会受到影响，但是，如果各个环网结构中受到影响的动力执行机构不重叠时，两个环网结构配合使用则能够互相弥补，使全部的动力执行机构都能够得到控制，每个主控系统1分别与两个动力控制单元2连接，从而保证系统功能的完好，除非其中一个环网结构完全瘫痪(主控系统1两端的通信链路中断)，或者两个环网结构中受影响的动力执行机构发生重叠，此时才会出现部分动力执行机构无法得到控制，系统功能发生缺失。
可见，本实施例提出的冗余控制装置，通过增加一个主控系统1，并将该增加的主控系统1与各个动力控制单元2连接成环形网状通信回路的设计，使得系统抗故障能力大大提高，冗余能力得到加强。
实施例二
一种车辆，如图1所示，包括底盘、车轮和动力执行机构，其中动力执行机构配置为电机，车轮全部或者部分的配置有用于提供动力的电机，还包括实施例一提供的冗余控制装置，其中，动力控制单元2的数量与电机的数量相同且一一对应地连接。
通常，动力执行机构为轮边电机或者轮毂电机，而动力控制单元2安装在动力执行机构的位置处，主控系统1安装在电动汽车的中控台或者是后备箱等位置，而动力控制单元2则通过线缆与主控系统1以及冗余主控系统3通信连接。
实施例三
一种船舶，包括船体和安装在所述船体上的动力执行机构，动力执行机构配置为喷水推进装置，还包括实施例一提供的冗余控制装置，其中，动力控制单元2的数量与喷水推进装置的数量相同且一一对应地连接。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于行动物体驱动控制的高可靠性冗余控制装置，所述行动物体包括至少一个动力执行机构，其特征在于：包括至少两个主控系统以及至少一个动力控制单元，所述主控系统用于向一个或者多个所述动力控制单元发送控制指令，所述动力控制单元用于根据接收到的所述控制指令对单个所述动力执行机构进行控制，以便于调整所述行动物体的姿态和/或运动方向；其中，每个所述主控系统分别与全部的所述动力控制单元连接成环网结构。
2.根据权利要求1所述的用于行动物体驱动控制的高可靠性冗余控制装置，其特征在于：所述动力执行机构为通过轴输出动力的轴输出装置或者通过喷射工作物质输出动力的反推装置。
3.根据权利要求2所述的用于行动物体驱动控制的高可靠性冗余控制装置，其特征在于：所述轴输出装置为电动机或者内燃机。
4.根据权利要求2所述的用于行动物体驱动控制的高可靠性冗余控制装置，其特征在于：反推装置为喷气推进装置或者喷水推进装置。
5.根据权利要求1所述的用于行动物体驱动控制的高可靠性冗余控制装置，其特征在于：每个所述主控系统以及全部的所述动力控制单元通过通信链路串接成环网结构。
6.根据权利要求1所述的用于行动物体驱动控制的高可靠性冗余控制装置，其特征在于：所述通信链路包括单条或者多条通信介质。
7.根据权利要求1所述的用于行动物体驱动控制的高可靠性冗余控制装置，其特征在于：所述环网结构通过支持环形冗余网络的协议实现。
8.一种车辆，包括底盘、车轮和动力执行机构，其特征在于：还包括如权利要求1-7任一项所述的冗余控制装置，其中，所述动力控制单元的数量与所述动力执行机构的数量相同且一一对应地连接。
9.根据权利要求8所述的车辆，其特征在于：所述动力执行机构为电机，所述电机为轮边电机或者轮毂电机。
10.一种船舶，包括船体和安装在所述船体上的动力执行机构，所述动力执行机构为喷水推进装置，其特征在于：还包括如权利要求1-7任一项所述的冗余控制装置，其中，所述动力控制单元的数量与所述喷水推进装置的数量相同且一一对应地连接。
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