CN116166041A - 一种evtol飞行器航电控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种EVTOL飞行器航电控制系统，包括UMC飞管计算机、导航系统、通信系统、监管系统、显示系统、飞控系统、飞行任务系统，监管系统用于监测系统状态数据、运行环境数据、三方任务数据以得到航路；飞控系统用于对EVTOL飞行器的状态与性能进行监测，并根据监管系统规划的航路解算出能够适配EVTOL飞行器本身的状态性能的控制律，并根据控制律对EVTOL飞行器进行控制；能够在面对城市上空环境复杂、突发情况多、EVTOL飞行器本身状态性能要求高的情况下，对飞行航路计划任务与EVTOL飞行器本身的状态性能、运行环境、突发状况进行高效准确匹配，使得EVTOL飞行器能够在城市上空环境中正常安全运行，满足EVTOL飞行器对航电系统轻重量、小体积、安全可靠的要求。

Description

一种EVTOL飞行器航电控制系统

技术领域

本发明属于EVTOL飞行器的技术领域，具体涉及一种EVTOL飞行器航电控制系统。

背景技术

近年来，电动垂直起降EVTOL飞行器开发吸引了各行各业的广泛关注。电动垂直起降EVTOL飞行器未来潜在应用涉及城市客运、区域客运、货运、个人飞行器、紧急医疗服务等多种场景模式。

为了保障EVTOL飞行器的安全可靠运行，并对EVTOL飞行器的航行过程进行实时监控与信息交互，需要设置相应的航电系统对EVTOL飞行器进行监测控制。现有技术中，大多按照有人机来进行EVTOL的航电系统架构设计，使得EVTOL飞行器成本十分昂贵且体积大、重量重，完全不适合EVTOL飞行器的实际使用；也有按照传统小型无人机的航电架构来设计EVTOL的航电系统架构，但是小型无人机的航行过程、航行环境、安全性要求远不及EVTOL飞行器，因此按照小型无人机航电架构设计的EVTOL飞行器航电系统的可靠性、稳定性和安全性得不到保障，也无法满足EVTOL飞行器的实际使用需求；还有通过不断增加航电设备来保障EVTOL飞行器的可靠性的航电架构，这种不断增加航电设备的架构不仅使得的航电设备数量冗余，还使得EVTOL飞行器的体积、重量、成本剧增，也不满足EVTOL飞行器对航电系统体积小、重量轻、成本低、系统可靠、系统稳定等要求。

因此，本发明针对现有技术中对EVTOL飞行器开发的航电系统存在的上述缺陷，公开了一种EVTOL飞行器航电控制系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种EVTOL飞行器航电控制系统，能够在面对城市上空环境复杂、突发情况多、EVTOL飞行器本身状态性能要求高的情况下，对飞行航路计划任务与EVTOL飞行器本身的状态性能、运行环境、突发状况进行高效准确匹配，进而对EVTOL飞行器进行航行控制，使得EVTOL飞行器能够在城市上空环境中正常安全运行，同时能够满足EVTOL飞行器对航电系统轻重量、小体积、低成本、安全可靠的要求。

本发明通过下述技术方案实现：

一种EVTOL飞行器航电控制系统，包括UMC飞管计算机，所述UMC飞管计算机与导航系统、通信系统、监管系统、显示系统、飞控系统、飞行任务系统连接，所述导航系统、通信系统、监管系统、显示系统、飞控系统、飞行任务系统均采用双冗余异构的构架，所述监管系统用于监测导航系统、通信系统、显示系统、飞控系统、飞行任务系统的系统状态数据、EVTOL飞行器运行环境数据、三方任务数据以进行解算得到不会与运行环境以及任务冲突的航路；所述飞控系统用于对EVTOL飞行器上的功能设备的状态与性能进行监测，并根据监管系统规划的航路解算出能够适配EVTOL飞行器本身的状态性能的控制律，并根据控制律对EVTOL飞行器的功能设备进行控制。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述飞控系统包括两台互为冗余异构设置并与UMC飞管计算机连接的主飞控计算机以及两台互为冗余异构设置并与UMC飞管计算机连接的辅助飞控计算机，还包括与主飞控计算机以及辅助飞控计算机连接的飞行任务模块、状态性能检测模块、飞行模式切换模块、实时飞行导引模块、飞行保护模块、控制律匹配模块，所述飞行任务模块根据监管系统规划的航路生成飞行航路计划任务并对生成的飞行航路计划任务进行虚拟演示以得到飞行航路任务指令；所述状态性能检测模块用于检测EVTOL飞行器的功能设备的状态性能参数，所述飞行保护模块解算状态性能参数是否满足飞行航路任务指令的需求并对飞行航路任务指令进行优化；所述飞行模式切换模块根据飞行航路任务指令中的飞行模式要求切换EVTOL飞行器至相应的飞行模式；所述实时飞行导引模块采集EVTOL飞行器的实时飞行参数与外部环境数据，并根据实时飞行参数与外部环境数据生成实时导引指令；所述控制律匹配模块综合解算实时导引指令与飞行航路任务指令以生成控制律指令，并通过控制律指令实时控制EVTOL飞行器的伺服设备与动力设备。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述状态性能检测模块包括状态检测模块、性能计算模块，所述状态检测模块用以检测EVTOL飞行器的功能设备的状态数据，并将状态数据传输至飞行保护模块，所述飞行保护模块通过状态数据判断EVTOL飞行器的功能设备是否处于正常状态，所述性能计算模块在EVTOL飞行器的功能设备处于正常状态时对功能设备的性能参数进行计算，并判断功能设备的性能与飞行航路任务指令、飞行模式、实时导引指令是否匹配。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述实时飞行导引模块包括仿地模块、避障模块、导引模块，所述仿地模块从飞行计划数据库中选择设置EVTOL飞行器的飞行环境仿地数据，并将飞行环境仿地数据发送至飞行模式切换模块与飞行计划管理模块；所述避障模块采集EVTOL飞行器的外部环境数据，并根据外部环境数据生成避障指令，所述导引模块根据飞行环境仿地数据、状态性能参数、避障指令进行解算以得到实时导引指令。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述飞行模式切换模块包括地面模式切换模块、自主飞行模式切换模块、人工操控模式切换模块，所述地面模式切换模块用于将EVTOL飞行器切换至地面模式，并控制EVTOL飞行器的航电设备工作，但控制EVTOL飞行器的伺服设备与动力设备停机；所述自主飞行模式切换模块用于将EVTOL飞行器切换至自动飞行模式，并控制EVTOL飞行器按照控制律指令进行自动飞行；所述人工操控模式切换模块用于将EVTOL飞行器切换至人工操作模式，使得EVTOL飞行器与地面指控站连接，通过地面指控站人工输入指令控制EVTOL飞行器。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述监管系统包括防撞告警系统、摄像感知系统、航迹数据监测系统、监管计算机，所述防撞告警系统、摄像感知系统、航迹数据监测系统均采用软硬件双冗余异构方式与监管计算机连接，所述监管计算机与飞控计算机和/或地面指挥系统连接；所述航迹数据监测系统用于实时采集监测EVTOL飞行器的航迹数据，并将航迹数据发送至防撞告警系统；所述防撞告警系统根据内置的三维地形数据对航迹数据进行冲突探测与避撞引导计算；所述摄像感知系统用于拍摄EVTOL飞行器的航行外环境图像与EVTOL飞行器的航行内环境图像，同时采集EVTOL飞行器的航行周边环境数据；监管计算机将冲突探测与避撞引导计算的结果、航行图像、航行周边环境数据综合解算得到航路。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述航迹数据监测系统包括机载数据监视模块、导航共享数据模块，所述机载数据监视模块用于对EVTOL飞行器的机体多源航迹数据进行监测采集，所述导航共享数据模块用于对EVTOL飞行器的航行参数数据进行监测采集，并与其他的无人机进行航行参数数据交互；所述防撞告警系统对机体多源航迹数据、航行参数数据进行融合解算，进而得到包含EVTOL飞行器与EVTOL飞行器之间关系以及EVTOL飞行器与外部环境之间关系的融合数据，并根据三维地形数据对融合数据进行冲突探测与避撞引导计算。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述防撞告警系统包括数据融合处理模块、冲突告警引导模块，所述数据融合处理模块分别与机载数据监视模块、导航共享数据模块连接，所述数据融合处理模块用于将机体多源航迹数据、航行参数数据进行融合解算得到融合数据；所述冲突告警引导模块根据三维地形数据与融合数据解算EVTOL飞行器与EVTOL飞行器之间以及EVTOL飞行器与外环境之间是否发生航线冲突或碰撞风险，并对存在航线冲突与碰撞风险的EVTOL飞行器进行告警。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述导航系统包括与UMC飞管计算机连接的导航计算机以及采用双冗余异构架构与导航计算机连接的无线电高度表系统、组合惯导系统、大气数据系统、北斗定位系统，所述无线电高度表系统用于检测EVTOL飞行器运行时的高度数据与相对距离数据；所述组合惯导系统用于检测并传输EVTOL飞行器运行过程中的实时飞行参数；所述大气数据系统用于检测EVTOL飞行器运行过程中外部环境的大气数据；所述北斗定位系统用于检测EVTOL飞行器运行过程中的实时位置数据；所述导航计算机对高度数据、相对距离数据、实时飞行参数、大气数据、实时位置数据综合解算得到导航指令。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述通信系统包括与UMC飞管计算机连接的通信计算机以及采用双冗余异构架构与通信计算机连接的VHF通信系统、图数一体数据链通信系统、4G通信系统、5G通信系统、ADS-B链路通信系统，所述VHF通信系统用于实现无线通讯；所述图数一体数据链通信系统用于同步传输数据、图像、视频；所述4G通信系统实现4G信号通信；所述5G通信系统实现5G信号通信；所述ADS-B链路通信系统以ADS-B特殊频段进行数据通信。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明基于双冗余异构的方式分别设置与监管模块连接的防撞告警模块、摄像感知模块、航迹数据监测模块，通过双冗余异构模块的设置以及冗余热备份系统的配合，提高了整体监管系统的可靠性与安全性，即使一侧模块出现问题，能够通过另一侧的模块保证整体监管系统的正常运行；同时，本发明通过航迹数据监测模块实时采集交互航行过程中EVTOL飞行器与EVTOL飞行器之间以及EVTOL飞行器与航行环境之间的航迹数据，进而通过防撞告警模块对航迹数据进行融合解算，进而实时判断航行过程中EVTOL飞行器是否发生冲突或碰撞，并将冲突探测与避撞引导计算的结果、航行图像、航行周边环境数据发送至飞控计算机和/或地面指挥系统，以对航行过程的实时情况进行反馈，进而通过航行过程的实时情况对EVTOL飞行器进行准确及时的监管，保障EVTOL飞行器能够安全顺利进行飞行作业；

（2）本发明相比于现有的EVTOL飞行器飞控系统，通过飞行任务模块引入外部飞行环境参数，将飞行航路任务指令与外部飞行环境参数进行匹配以及虚拟演示，进而得到不会与外部飞行环境冲突的飞行航路任务指令；并进一步通过状态性能检测模块检测EVTOL飞行器的状态性能参数，并通过飞行保护模块将状态性能参数与飞行航路任务指令的需求进行匹配，使得飞行航路任务指令不会超出EVTOL飞行器本身的状态性能限制；然后通过飞行模式切换模块、实时飞行导引模块对EVTOL飞行器实时运行过程中EVTOL飞行器的运行情况进行跟踪解算，进而能够根据实际运行环境、EVTOL飞行器本身的状态性能、突发情况高效准确的对飞行航路任务指令进行调整优化，进而实现在城市环境环境复杂、突发情况多、EVTOL飞行器本身状态性能要求高的限制下对EVTOL飞行器的运行过程进行安全可靠、灵活高效的监管控制，极大提升了EVTOL飞行器在复杂城市环境下运行的安全性与可靠性。

附图说明

图1为航电控制系统的架构示意图；

图2为飞控系统的原理架构示意图；

图3为飞控系统的具体架构示意图；

图4为监管系统的架构示意图；

图5为航迹数据监测系统的架构示意图；

图6为摄像感知系统的架构示意图；

图7为导航系统的架构示意图；

图8为通信系统的架构示意图。

具体实施方式

实施例1：

一种EVTOL飞行器航电控制系统，如图1-图3所示，包括UMC飞管计算机，所述UMC飞管计算机与导航系统、通信系统、监管系统、显示系统、飞控系统、飞行任务系统连接，所述导航系统、通信系统、监管系统、显示系统、飞控系统、飞行任务系统均采用双冗余异构的构架，所述监管系统用于监测导航系统、通信系统、显示系统、飞控系统、飞行任务系统的系统状态数据、EVTOL飞行器运行环境数据、三方任务数据以进行解算得到不会与运行环境以及任务冲突的航路；所述飞控系统用于对EVTOL飞行器上的功能设备的状态与性能进行监测，并根据监管系统规划的航路解算出能够适配EVTOL飞行器本身的状态性能的控制律，并根据控制律对EVTOL飞行器的功能设备进行控制。

所述飞控系统包括两台互为冗余异构设置并与UMC飞管计算机连接的主飞控计算机以及两台互为冗余异构设置并与UMC飞管计算机连接的辅助飞控计算机，还包括与主飞控计算机以及辅助飞控计算机连接的飞行任务模块、状态性能检测模块、飞行模式切换模块、实时飞行导引模块、飞行保护模块、控制律匹配模块，所述飞行任务模块根据监管系统规划的航路生成飞行航路计划任务并对生成的飞行航路计划任务进行虚拟演示以得到飞行航路任务指令；所述状态性能检测模块用于检测EVTOL飞行器的功能设备的状态性能参数，所述飞行保护模块解算状态性能参数是否满足飞行航路任务指令的需求并对飞行航路任务指令进行优化；所述飞行模式切换模块根据飞行航路任务指令中的飞行模式要求切换EVTOL飞行器至相应的飞行模式；所述实时飞行导引模块采集EVTOL飞行器的实时飞行参数与外部环境数据，并根据实时飞行参数与外部环境数据生成实时导引指令；所述控制律匹配模块综合解算实时导引指令与飞行航路任务指令以生成控制律指令，通过控制律指令实时控制EVTOL飞行器的伺服设备与动力设备。

所述飞控系统包括两台互为冗余异构设置并与UMC飞管计算机连接的主飞控计算机以及两台互为冗余异构设置并与UMC飞管计算机连接的辅助飞控计算机，还包括与主飞控计算机以及辅助飞控计算机连接的飞行任务模块、状态性能检测模块、飞行模式切换模块、实时飞行导引模块、飞行保护模块、控制律匹配模块，所述飞行任务模块根据监管系统规划的航路生成飞行航路计划任务并对生成的飞行航路计划任务进行虚拟演示以得到飞行航路任务指令；所述状态性能检测模块用于检测EVTOL飞行器的功能设备的状态性能参数，所述飞行保护模块解算状态性能参数是否满足飞行航路任务指令的需求并对飞行航路任务指令进行优化；所述飞行模式切换模块根据飞行航路任务指令中的飞行模式要求切换EVTOL飞行器至相应的飞行模式；所述实时飞行导引模块采集EVTOL飞行器的实时飞行参数与外部环境数据，并根据实时飞行参数与外部环境数据生成实时导引指令；所述控制律匹配模块综合解算实时导引指令与飞行航路任务指令以生成控制律指令，并通过控制律指令实时控制EVTOL飞行器的伺服设备与动力设备。

所述飞行任务模块包括飞行计划管理模块、飞行指令处理模块，所述飞行指令处理模块用于输入飞行航路任务指令至飞行计划管理模块，所述飞行计划管理模块从飞行计划数据库中选择设置EVTOL飞行器的飞行参数与飞行环境仿地数据，所述飞行计划管理模块根据飞行环境仿地数据生成虚拟飞行场景，并在虚拟飞行场景中根据飞行参数与飞行航路任务指令对EVTOL飞行器进行虚拟飞行演示，以判断EVTOL飞行器以当前的飞行参数与飞行航路任务指令进行飞行时是否会与虚拟飞行场景发生冲突；所述飞行指令处理模块对与虚拟飞行场景发生冲突的飞行航路任务指令进行优化，并将优化后的飞行航路任务指令发送至飞行模式切换模块与控制律匹配模块。

飞行指令处理模块通过数据链与地面地面指控站连接，通过飞行指令处理模块输入飞行航路任务指令。通过飞行计划管理模块根据飞行环境仿地数据生成虚拟飞行场景，并在虚拟飞行场景中根据飞行参数与飞行航路任务指令对EVTOL飞行器进行虚拟飞行演示，并将演示视频发送至主飞控计算机、辅助飞控计算机、地面指控站的显示终端进行实时展示。飞行指令处理模块对与虚拟飞行场景发生冲突的飞行航路任务指令进行优化，提示工作人员对冲突的飞行航路任务指令进行修改，并对飞行航路任务指令中的冲突部分进行提示报错，以便工作人员对飞行航路任务指令进行快速针对性的修改优化。

进一步的，所述飞行任务模块还包括与飞行计划管理模块、飞行模式切换模块、实时飞行导引模块连接的飞行阶段管理模块，所述飞行阶段管理模块对飞行计划管理模块生成的飞行航路任务指令以及飞行模式切换模块生成的模式切换指令进行解算以判断EVTOL飞行器处于起飞阶段、飞行阶段、着陆阶段、悬停阶段等不同的阶段，并将相应的阶段数据发送至实时飞行导引模块，所述实时飞行导引模块根据EVTOL飞行器所处的阶段进行阶段性导引。

进一步的，所述飞行任务模块还包括通告预警模块，所述通告预警模块对飞行指令处理模块输入的异常指令以及EVTOL飞行器的异常飞行状态进行通告预警。

所述状态性能检测模块包括状态检测模块、性能计算模块，所述状态检测模块用以检测EVTOL飞行器的状态数据，并将状态数据传输至飞行保护模块，所述飞行保护模块通过状态数据判断EVTOL飞行器是否处于正常状态，所述性能计算模块在EVTOL飞行器处于正常状态时对EVTOL飞行器的性能参数进行计算，并判断EVTOL飞行器的性能与飞行航路任务指令、飞行模式、实时导引指令是否匹配。

当EVTOL飞行器开机时，即通过状态检测模块对EVTOL飞行器自带的导航系统、航电系统、伺服设备、动力设备、电源系统等进行开机自检，以判断EVTOL飞行器是否处于异常状态。若状态检测模块检测到EVTOL飞行器自带的系统没有正常启动或启动后存在异常情况，则状态检测模块进行预警，此时主飞控计算机或辅助飞控计算机禁止EVTOL飞行器运行，并将处于异常的系统立刻停止。若状态检测模块检测到EVTOL飞行器自带的系统均正常，则通过性能计算模块对EVTOL飞行器的性能参数进行计算，并判断EVTOL飞行器的性能与飞行航路任务指令、飞行模式、实时导引指令是否匹配。如通过性能计算模块计算EVTOL飞行器的电源模块的电量能否满足飞行航路任务指令中航行时间或航行路程的需求，如通过性能计算模块计算EVTOL飞行器的动力设备能够提供的飞行动力能否满足行航路任务指令中航行速度对推力的需求。

若性能计算模块判断EVTOL飞行器的性能与飞行航路任务指令、飞行模式、实时导引指令匹配，则正常执行飞行航路任务指令、切换至设定的飞行模式、正常执行实时导引指令等；若性能计算模块判断EVTOL飞行器的性能与飞行航路任务指令、飞行模式、实时导引指令不能匹配，则进行预警以提示工作人员性能不匹配，使得工作人员能够及时对飞行航路任务指令、飞行模式、实时导引指令进行修改，避免出现EVTOL飞行器性能与飞行任务不能匹配的状况发生。

所述实时飞行导引模块包括仿地模块、避障模块、导引模块，所述仿地模块从飞行计划数据库中选择设置EVTOL飞行器的飞行环境仿地数据，并将飞行环境仿地数据发送至飞行模式切换模块与飞行计划管理模块；所述避障模块采集EVTOL飞行器的外部环境数据，并根据外部环境数据生成避障指令，导引模块根据飞行环境仿地数据、状态性能参数、避障指令进行解算以得到实时导引指令。

仿地模块从飞行计划数据库提取外部环境的三维地形数据，工作人员则通过仿地模块从飞行计划数据库选择设置EVTOL飞行器相对于三维地形数据的飞行环境仿地数据，使得EVTOL飞行器能够根据飞行环境仿地数据相对于外部环境进行仿地飞行。

在EVTOL飞行器运行过程中，避障模块实时提取EVTOL飞行器自带的视觉系统、雷达系统采集的外部环境数据，如通过视觉系统拍摄的外部环境实时图像、通过雷达系统检测的EVTOL飞行器的实时位置以及相对于外部环境或其他飞行器的相对位置，进而解算判断EVTOL飞行器按照当前的飞行航路任务指令运行时是否会与外部环境或其他飞行器发生冲突，在发生冲突时则通过避障模块实时生成避障指令。

导引模块则根据EVTOL飞行器运行过程中实时的飞行环境仿地数据、状态性能参数、避障指令进行解算以得到实时导引指令，通过实时导引指令对EVTOL飞行器进行实时避障、紧急降落、紧急返航等控制，使得EVTOL飞行器能够良好的处理紧急情况。

所述控制律匹配模块包括姿态控制律模块、速度控制律模块、位置控制律模块、高度控制律模块、角速率控制律模块、油门推力控制律模块、控制律分配模块，所述速度控制律模块用于生成速度控制指令，所述位置控制律模块用于生成位置控制指令，所述高度控制律模块用于生成高度控制指令，所述姿态控制律模块根据高度控制指令和位置控制指令生成姿态控制指令，所述角速率控制律模块根据姿态控制指令生成角速率控制指令；所述油门推力控制律模块根据速度控制指令、位置控制指令、高度控制指令生成油门推力控制指令；所述控制律分配模块根据角速率控制指令对EVTOL飞行器的伺服设备进行控制，所述控制律分配模块根据油门推力控制指令对EVTOL飞行器的动力设备进行控制。

进一步的，所述控制律匹配模块还包括过载限制模块，所述过载限制模块用于检测EVTOL飞行器的实时载荷，并根据实时载荷优化姿态控制指令。

飞行模式切换模块包括地面模式切换模块、自主飞行模式切换模块、人工操控模式切换模块，所述地面模式切换模块用于将EVTOL飞行器切换至地面模式，并控制EVTOL飞行器的航电系统工作，但控制EVTOL飞行器的伺服设备与动力设备停机；所述自主飞行模式切换模块用于将EVTOL飞行器切换至自动飞行模式，并控制EVTOL飞行器按照控制律指令进行自动飞行；所述人工操控模式切换模块用于将EVTOL飞行器切换至人工操作模式，使得EVTOL飞行器与地面指控站连接，通过地面指控站人工输入指令控制EVTOL飞行器。

飞行模式切换模块还可以根据飞行任务模块生成的飞行航路任务指令控制EVTOL飞行器进行一键起飞，使得EVTOL飞行器一键起飞至预设的高度。飞行模式切换模块还可以根据飞行任务模块生成的飞行航路任务指令控制EVTOL飞行器进行一键着陆，使得EVTOL飞行器一键着陆至预设的位置点。飞行模式切换模块还可以根据飞行任务模块生成的飞行航路任务指令控制EVTOL飞行器进行定点飞行、定高飞行、定速飞行等。

进一步的，还包括安全锁定模块，安全锁定模块用于在EVTOL飞行器启动过程中对EVTOL飞行器的航电系统、伺服设备、动力设备进行解锁启动；所述安全锁定模块用于在EVTOL飞行器停机时中对EVTOL飞行器的航电系统、伺服设备、动力设备进行锁定关闭。

EVTOL飞行器起飞前要通过安全锁定模块对EVTOL飞行器的航电系统、伺服设备、动力设备进行一键解锁，以确定各系统的工作状态能够以进行正常的运转，特别是动力设备和伺服机构，避免造成人为操作造成飞行安全事故的发生。EVTOL飞行器降落后要通过安全锁定模块对EVTOL飞行器的各个系统进行一键加锁，以确定各系统工作状态停止，特别是动力设备和伺服机构，避免造成人为安全事故的发生。

实施例2：

本实施例在上述实施例1的基础上进行改进，如图4-图6所示，所述监管系统包括防撞告警系统、摄像感知系统、航迹数据监测系统、监管计算机，所述防撞告警系统、摄像感知系统、航迹数据监测系统均采用软硬件双冗余异构方式与监管计算机连接，所述监管计算机与飞控计算机和/或地面指挥系统连接；所述航迹数据监测系统用于实时采集监测EVTOL飞行器的航迹数据，并将航迹数据发送至防撞告警系统；所述防撞告警系统根据内置的三维地形数据对航迹数据进行冲突探测与避撞引导计算；所述摄像感知系统用于拍摄EVTOL飞行器的航行外环境图像与EVTOL飞行器的航行内环境图像，同时采集EVTOL飞行器的航行周边环境数据；所述监管计算机将冲突探测与避撞引导计算的结果、航行图像、航行周边环境数据综合解算得到航路。

EVTOL飞行监管系统是监管EVTOL飞行器各系统状态、周围环境，可实现EVTOL飞行器更可靠、更安全、更稳定的飞行，同时也为飞控计算机以及地面指挥系统提供重要的系统状态因素、周围环境因素和三方因素等决策参考，EVTOL飞行监管系统包括防撞告警系统、摄像感知系统、航迹数据监测系统、监管计算机。

航迹数据监测系统主要用于实时监测EVTOL飞行器在启动前、启动航行过程中、停机后的航迹数据，航迹数据包括EVTOL飞行器的位置信息、速度、航向、航行姿态、雷达数据、Remote-ID数据、高度数据、导航线路数据等，防撞告警系统通过上述数据能够融合解算出EVTOL飞行器相对于外部环境以及EVTOL飞行器相对于其他EVTOL飞行器的关系，进而判断EVTOL飞行器在整个航行过程中是否会与外部环境以及其他EVTOL飞行器发生冲突或碰撞，并将解算的冲突探测与避撞引导计算的结果发送至飞控计算机和/或地面指挥系统，飞控计算机和地面指挥系统即可根据冲突探测与避撞引导计算的结果对EVTOL飞行器的航行过程进行全程实时监管以及实时调控，有效避免EVTOL飞行器之间以及EVTOL飞行器与外部环境之间发生冲突以及碰撞的情况发生。防撞告警模会在出现冲突与碰撞结果时及时对EVTOL飞行器驾驶员、飞控计算机、地面指挥系统发出告警信息。

在EVTOL飞行器的航行过程中，摄像感知系统会实时拍摄EVTOL飞行器的航行图像，航行图像包括EVTOL飞行器的航行内环境图像与航行外环境图像，航行内环境图像用以表征航行过程中EVTOL飞行器驾驶舱内部的实时情况，航行外环境图像用以表征航行过程中EVTOL飞行器外表面以及外部环境的实时情况。摄像感知系统将拍摄的航行图像通过监管计算机发送至飞控计算机与地面指挥系统，进而实时准确的对EVTOL飞行器的航行过程进行综合监管。

所述航迹数据监测系统包括机载数据监视模块、导航共享数据模块，所述机载数据监视模块用于对EVTOL飞行器的机体多源航迹数据进行监测采集，所述导航共享数据模块用于对EVTOL飞行器的航行参数数据进行监测采集，并与其他的无人机进行航行参数数据交互；所述防撞告警系统对机体多源航迹数据、航行参数数据进行融合解算，进而得到包含EVTOL飞行器与EVTOL飞行器之间关系以及EVTOL飞行器与外部环境之间关系的融合数据，并根据三维地形数据对融合数据进行冲突探测与避撞引导计算。

防撞告警系统中内置有三维地形数据，或通过收发交互模块实时接收三维地形数据，结合机载数据监视模块、导航共享数据模块、飞控计算机中的航行数据信息，实时生成外部环境的虚拟场景，为驾驶员提供外部环境视景、空中交通信息、障碍物防撞告警提示信息等，从而有效增强驾驶员对外部环境的情景感知能力。避免机体之间、机体和外部环境障碍物之间的冲突碰撞，保证飞行安全。此外，防撞告警系统还具备飞行仪表显示、航路规划、航空数据库和飞行导航等功能，能够从EVTOL飞行器准备、EVTOL飞行器训练、EVTOL飞行器领航到途中紧急任务设计、增加环境情景意识等方面减轻驾驶员的工作负担，从而提升空中运行的安全和效率，避免恶性事故发生。

所述防撞告警系统包括数据融合处理模块、冲突告警引导模块，所述数据融合处理模块分别与机载数据监视模块、导航共享数据模块连接，所述数据融合处理模块用于将机体多源航迹数据、航行参数数据进行融合解算得到融合数据；所述冲突告警引导模块根据三维地形数据与融合数据解算EVTOL飞行器与EVTOL飞行器之间以及EVTOL飞行器与外环境之间是否发生航线冲突或碰撞风险，并对存在航线冲突与碰撞风险的EVTOL飞行器进行告警。

所述机载数据监视模块包括ATAR雷达数据模块、ADS-B模块、Remote ID模块、EO/IR模块、高度表；所述导航共享数据模块包括组合导航仪、机间数据链模块。

对EVTOL飞行器上的多源监视数据，即通过ATAR雷达数据模块采集的雷达数据、通过ADS-B模块采集交互的ADS-B数据、通过Remote ID模块采集交互的Remote ID数据、通过EO/IR模块采集的光电/红外数据、通过高度表采集的高度数据进行航迹融合，对融合的航迹数据实时进行冲突探测和避撞引导计算，并将碰撞风险信息和三维避撞引导信息发送飞控计算机和地面指挥系统，飞控计算机自动对陷入冲突的EVTOL飞行器执行机动解脱策略。同时，地面操作人员也可通过地面指挥系统对陷入冲突的EVTOL飞行器执行机动解脱策略，直到EVTOL飞行器恢复空中飞行安全间隔，可实现EVTOL飞行器空空防撞和EVTOL飞行器空地防撞预警与冲突导引。

Remote-ID模块用于广播有关EVTOL飞行器与控制台/飞行员的身份及位置信息，以让其他的EVTOL飞行器用户或地面上的人们得以接收。Remote-ID模块可以以内置Remote-ID模块的形式直接耦合在EVTOL飞行器的内部模块中，也可以以外置Remote-ID模块的形式直接附加在EVTOL飞行器上。Remote-ID模块采用冗余异构的设计方式，从软件层和硬件层都采用异构冗余设计，保证其可靠性和稳定性。Remote-ID模块可通过蓝牙、WIFI、云端、蜂窝数据链、三方平台等方式进行数据、图像和视频等广播。

ADS-B模块由ADS-B应答机、ADS-B接收机和ADS-B天线组成。ADS-B模块采用冗余异构设计方式，ADS-B模块的软件系统采用冗余异构热备份方式，可在一套ADS-B模块失效情况下通过另一套ADS-B模块进行无扰工作。ADS-B模块具备ADS-B OUT功能，接收1090MHz（1090ES）数据；也具备ADS-B IN功能，接收978MHZ（UAT）数据，ADS-B模块还具备空管二次雷达监控与应答功能，同时具备广播飞机飞行四维信息，地面能够实时接收到飞机的四维信息。

所述摄像感知系统包括摄像模块、环境参数检测模块，所述摄像模块设置在EVTOL飞行器的驾驶舱内部以及EVTOL飞行器的机身外部，设置在EVTOL飞行器的驾驶舱内部的摄像模块用于拍摄航行内环境图像并将航行内环境图像通过监管计算机传输至飞控计算机和/或地面指挥系统；设置在EVTOL飞行器的机身外部的摄像模块用于拍摄航行外环境图像并将航行外环境图像通过监管计算机传输至飞控计算机和/或地面指挥系统；所述环境参数检测模块用于检测EVTOL飞行器航行过程中外环境的空气温度与湿度数据。

所述摄像感知系统还包括外置存储模块、电源模块、显示控制终端，所述外置存储模块用于存储备份拍摄的航行内环境图像、航行外环境图像、空气温度与湿度数据，并将航行内环境图像、航行外环境图像、空气温度与湿度数据通过监管计算机传输至飞控计算机和/或地面指挥系统；所述电源模块为摄像模块、环境参数检测模块供电；所述显示控制终端设置在EVTOL飞行器的驾驶舱内或设置在地面指挥系统，所述显示控制终端用于实时显示空气温度与湿度数据。

所述航行外环境图像包括EVTOL飞行器的外表面图像以及EVTOL飞行器航行过程中周边外环境图像。

摄像感知系统的功能：

（1）障碍物感知和高清成像：通过摄像模块对EVTOL飞行器周围的障碍物进行高清成像，获得障碍物的图片或者视频，把障碍物的图片或者视频直接传送给飞控计算机，由飞控计算机进行自主决策处理，或者通过数据链传输给地面指控中心，由地面指控人员进行识别处理。

（2）空气温、湿度感知和数据检测：环境参数检测模块包括温度传感器、湿度传感器，并与摄像模块耦合集成一体化设置。摄像模块工作时会通过环境参数检测模块自动感知EVTOL飞行器周围直径100米内的周围环境的温度、湿度并进行实时记录和传送给飞控计算机及驾驶舱内的显示系统，一方面给飞控计算机提供EVTOL飞行器周围的空气温度、湿度数据以辅助飞控计算机决策飞机的控空速感器处理措施和机翼处理措施等；另一方面是给机组人员提供空气环境参数。

（3）飞机表面监控：通过摄像模块感知EVTOL飞行器表面情况并进行清成像，获得EVTOL飞行器外表面图像或者视频，并将外表面图像或者视频存储在外置存储模块中，通过监管计算机的数据链将外表面图像或者视频传输给地面指挥系统，由地面指控人员进行观察机体状态和设备宏观运行状态。

（4）拍照和录像：在巡航和起降阶段，拍摄EVTOL飞行器的周围环境，通过数据链传输给地面指挥系统，以便监管人员进行观察，实时了解EVTOL飞行器的起降情况和飞行情况，以为突发情况做出合理的措施以及事后分析依据来源。

所述监管计算机包括设置在EVTOL飞行器的机舱内部的显示终端，所述显示终端用于实时显示冲突探测与避撞引导计算的结果、航行图像、航行周边环境数据。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例1或2的基础上进行改进，如图7所示，所述导航系统包括与UMC飞管计算机连接的导航计算机以及采用双冗余异构架构与导航计算机连接的无线电高度表系统、组合惯导系统、大气数据系统、北斗定位系统，所述无线电高度表系统用于检测EVTOL飞行器运行时的高度数据与相对距离数据；所述组合惯导系统用于检测并传输EVTOL飞行器运行过程中的实时飞行参数；所述大气数据系统用于检测EVTOL飞行器运行过程中外部环境的大气数据；所述北斗定位系统用于检测EVTOL飞行器运行过程中的实时位置数据；所述导航计算机对高度数据、相对距离数据、实时飞行参数、大气数据、实时位置数据综合解算得到导航指令。

无线电高度表系统包括互为冗余异构设置的两个无线电高度表组件，两个无线电高度表组件分别连接有高度表天线，无线电高度表组件通过RS422串口协议与导航计算机连接。无线电高度表组件包括毫米波雷达高度表、激光高度表、雷达高度表，毫米波雷达高度表、激光高度表、雷达高度表都采用设备冗余的设计，其中毫米波雷达高度表主要用于EVTOL飞行器起降阶段探测飞行器的高度，激光高度表用于EVTOL飞行器飞行过程中前视避障测量其障碍物离飞行器的距离、雷达高度表用于检测EVTOL飞行器子啊巡航段全程高度。

大气数据系统包括大气数据传感器、攻角传感器、侧滑角传感器、温度传感器、风标传感器、大气数据计算机。大气数据系统在硬件设备上采用冗余的方式构建，在控制系统上采用异构冗余的方式构建。进而测量和计算EVTOL飞行器的空速、气压高度、风向、风速、垂直速度、攻角、侧滑角等。

组合惯导系统包括2套包含FINS/MEMS/GNSS/MAG的组合导航模组。组合导航模组的硬件设备采用冗余设计方式，控制系统采用热备份的方式，定向使用双天线进行测向。组合导航模组具有上电自检、周期自检和强制自检功能，可实现故障判断并输出故障代码。组合导航模组可根据GNSS的定位信息进行初始对准输出位置信息、航向信息，以及输出当前EVTOL飞行器的姿态位置、速度、航迹角、三轴角速率、三轴线加速度等导航参数，进而生成EVTOL飞行器的实时位置数据。

北斗定位系统包括设置在EVTOL飞行器上的北斗机载端、设置在地面监控站的北斗地面端、北斗卡、北斗天线。北斗定位系统的硬件设备采用冗余设计，控制系统采用异构冗余设计，可实现北斗定位和北斗短报文的功能。

本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上进行改进，如图8所示，所述通信系统包括与UMC飞管计算机连接的通信计算机以及采用双冗余异构架构与通信计算机连接的VHF通信系统、图数一体数据链通信系统、4G通信系统、5G通信系统、ADS-B链路通信系统，所述VHF通信系统用于实现无线通讯；所述图数一体数据链通信系统用于同步传输数据、图像、视频；所述4G通信系统实现4G信号通信；所述5G通信系统实现5G信号通信；所述ADS-B链路通信系统以ADS-B特殊频段进行数据通信。

VHF通信系统采用两套异构的VHF通讯设备组成，VHF通讯设备采用冗余和热备份的方式构建，可实现长距离的无线通讯。

图数一体数据链通信系统是采用两套异构的图数一体数据模组组成，硬件设备采用冗余和热备份的方式构建，可实现远距离的数据、图像、视频传输。

4G通信系统是采用异构的4G通信设备组成，兼容并可同时运行含中国移动、中国联通、中国电信三大运营商的通信卡，设备采用冗余和热备份的方式，可实现短距离的无线通讯和数据传输。

5G通信系统是采用异构的5G通信设备组成，兼容并可同时运行含中国移动、中国联通、中国电信三大运营商的通信卡，设备采用冗余和热备份的方式，可实现短距离的无线通讯和数据传输。

ADS-B链路通信系统是利用ADS-B的特殊频段实现重要数据信息的传输，利用ADS-B特殊频段进行数据传输，可保证不受干扰和应急状态下的通信数据传输。设备采用冗余和热备份的方式构建，系统采用异构设计方式构建。

本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例1-4任一项的基础上进行改进，所述显示系统包括设置在EVTOL飞行器上的监控平板以及设置在地面监控站的监控平板，监控平板通过VGA/CVBS/S-VIDEO/HDMI等接口与UMC飞管计算机连接，监控平板上用于实时显示EVTOL飞行器的功能设备状态性能数据、外部环境数据、飞行参数数据、航向、任务等，使得驾驶人员以及地面监控人员能够实时清晰的了解EVTOL飞行器的运行状态。

本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一项相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种EVTOL飞行器航电控制系统，包括UMC飞管计算机，其特征在于，所述UMC飞管计算机与导航系统、通信系统、监管系统、显示系统、飞控系统、飞行任务系统连接，所述导航系统、通信系统、监管系统、显示系统、飞控系统、飞行任务系统均采用双冗余异构的构架，所述监管系统用于监测导航系统、通信系统、显示系统、飞控系统、飞行任务系统的系统状态数据、EVTOL飞行器运行环境数据、三方任务数据以进行解算得到不会与运行环境以及任务冲突的航路；所述飞控系统用于对EVTOL飞行器上的功能设备的状态与性能进行监测，并根据监管系统规划的航路解算出能够适配EVTOL飞行器本身的状态性能的控制律，并根据控制律对EVTOL飞行器的功能设备进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种EVTOL飞行器航电控制系统，其特征在于，所述飞控系统包括两台互为冗余异构设置并与UMC飞管计算机连接的主飞控计算机以及两台互为冗余异构设置并与UMC飞管计算机连接的辅助飞控计算机，还包括与主飞控计算机以及辅助飞控计算机连接的飞行任务模块、状态性能检测模块、飞行模式切换模块、实时飞行导引模块、飞行保护模块、控制律匹配模块，所述飞行任务模块根据监管系统规划的航路生成飞行航路计划任务并对生成的飞行航路计划任务进行虚拟演示以得到飞行航路任务指令；所述状态性能检测模块用于检测EVTOL飞行器的功能设备的状态性能参数，所述飞行保护模块解算状态性能参数是否满足飞行航路任务指令的需求并对飞行航路任务指令进行优化；所述飞行模式切换模块根据飞行航路任务指令中的飞行模式要求切换EVTOL飞行器至相应的飞行模式；所述实时飞行导引模块采集EVTOL飞行器的实时飞行参数与外部环境数据，并根据实时飞行参数与外部环境数据生成实时导引指令；所述控制律匹配模块综合解算实时导引指令与飞行航路任务指令以生成控制律指令，并通过控制律指令实时控制EVTOL飞行器的伺服设备与动力设备。

3.根据权利要求2所述的一种EVTOL飞行器航电控制系统，其特征在于，所述状态性能检测模块包括状态检测模块、性能计算模块，所述状态检测模块用以检测EVTOL飞行器的功能设备的状态数据，并将状态数据传输至飞行保护模块，所述飞行保护模块通过状态数据判断EVTOL飞行器的功能设备是否处于正常状态，所述性能计算模块在EVTOL飞行器的功能设备处于正常状态时对功能设备的性能参数进行计算，并判断功能设备的性能与飞行航路任务指令、飞行模式、实时导引指令是否匹配。

4.根据权利要求2所述的一种EVTOL飞行器航电控制系统，其特征在于，所述实时飞行导引模块包括仿地模块、避障模块、导引模块，所述仿地模块从飞行计划数据库中选择设置EVTOL飞行器的飞行环境仿地数据，并将飞行环境仿地数据发送至飞行模式切换模块与飞行计划管理模块；所述避障模块采集EVTOL飞行器的外部环境数据，并根据外部环境数据生成避障指令，所述导引模块根据飞行环境仿地数据、状态性能参数、避障指令进行解算以得到实时导引指令。

5.根据权利要求2所述的一种EVTOL飞行器航电控制系统，其特征在于，所述飞行模式切换模块包括地面模式切换模块、自主飞行模式切换模块、人工操控模式切换模块，所述地面模式切换模块用于将EVTOL飞行器切换至地面模式，并控制EVTOL飞行器的航电设备工作，但控制EVTOL飞行器的伺服设备与动力设备停机；所述自主飞行模式切换模块用于将EVTOL飞行器切换至自动飞行模式，并控制EVTOL飞行器按照控制律指令进行自动飞行；所述人工操控模式切换模块用于将EVTOL飞行器切换至人工操作模式，使得EVTOL飞行器与地面指控站连接，通过地面指控站人工输入指令控制EVTOL飞行器。

6.根据权利要求1所述的一种EVTOL飞行器航电控制系统，其特征在于，所述监管系统包括防撞告警系统、摄像感知系统、航迹数据监测系统、监管计算机，所述防撞告警系统、摄像感知系统、航迹数据监测系统均采用软硬件双冗余异构方式与监管计算机连接，所述监管计算机与飞控计算机和/或地面指挥系统连接；所述航迹数据监测系统用于实时采集监测EVTOL飞行器的航迹数据，并将航迹数据发送至防撞告警系统；所述防撞告警系统根据内置的三维地形数据对航迹数据进行冲突探测与避撞引导计算；所述摄像感知系统用于拍摄EVTOL飞行器的航行外环境图像与EVTOL飞行器的航行内环境图像，同时采集EVTOL飞行器的航行周边环境数据；所述监管计算机将冲突探测与避撞引导计算的结果、航行图像、航行周边环境数据综合解算得到航路。

7.根据权利要求6所述的一种EVTOL飞行器航电控制系统，其特征在于，所述航迹数据监测系统包括机载数据监视模块、导航共享数据模块，所述机载数据监视模块用于对EVTOL飞行器的机体多源航迹数据进行监测采集，所述导航共享数据模块用于对EVTOL飞行器的航行参数数据进行监测采集，并与其他的无人机进行航行参数数据交互；所述防撞告警系统对机体多源航迹数据、航行参数数据进行融合解算，进而得到包含EVTOL飞行器与EVTOL飞行器之间关系以及EVTOL飞行器与外部环境之间关系的融合数据，并根据三维地形数据对融合数据进行冲突探测与避撞引导计算。

8.根据权利要求7所述的一种EVTOL飞行器航电控制系统，其特征在于，所述防撞告警系统包括数据融合处理模块、冲突告警引导模块，所述数据融合处理模块分别与机载数据监视模块、导航共享数据模块连接，所述数据融合处理模块用于将机体多源航迹数据、航行参数数据进行融合解算得到融合数据；所述冲突告警引导模块根据三维地形数据与融合数据解算EVTOL飞行器与EVTOL飞行器之间以及EVTOL飞行器与外环境之间是否发生航线冲突或碰撞风险，并对存在航线冲突与碰撞风险的EVTOL飞行器进行告警。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种EVTOL飞行器航电控制系统，其特征在于，所述导航系统包括与UMC飞管计算机连接的导航计算机以及采用双冗余异构架构与导航计算机连接的无线电高度表系统、组合惯导系统、大气数据系统、北斗定位系统，所述无线电高度表系统用于检测EVTOL飞行器运行时的高度数据与相对距离数据；所述组合惯导系统用于检测并传输EVTOL飞行器运行过程中的实时飞行参数；所述大气数据系统用于检测EVTOL飞行器运行过程中外部环境的大气数据；所述北斗定位系统用于检测EVTOL飞行器运行过程中的实时位置数据；所述导航计算机对高度数据、相对距离数据、实时飞行参数、大气数据、实时位置数据综合解算得到导航指令。

10.根据权利要求1-8任一项所述的一种EVTOL飞行器航电控制系统，其特征在于，所述通信系统包括与UMC飞管计算机连接的通信计算机以及采用双冗余异构架构与通信计算机连接的VHF通信系统、图数一体数据链通信系统、4G通信系统、5G通信系统、ADS-B链路通信系统，所述VHF通信系统用于实现无线通讯；所述图数一体数据链通信系统用于同步传输数据、图像、视频；所述4G通信系统实现4G信号通信；所述5G通信系统实现5G信号通信；所述ADS-B链路通信系统以ADS-B特殊频段进行数据通信。

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