CN206877149U - 一种飞行控制装置、无人机控制系统及无人机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种飞行控制装置、无人机控制系统及无人机，其中，该控制装置包括：现场可编程门阵列FPGA、中央处理器CPU和快速外设部件互连标准PCI‑E总线；FPGA通过PCI‑E总线与CPU连接；FPGA，用于获取飞行数据，对飞行数据进行预处理，得到处理后的飞行数据，并将处理后的飞行数据传输给与FPGA连接的CPU；CPU，用于通过PCI‑E总线接收与CPU连接的FPGA发送的飞行数据，对飞行数据进行处理，得到控制信号；其中，控制信号用于控制无人机的飞行状态。本实用新型提供的飞行控制装置、无人机控制系统及无人机，通过双控制器的方式减少散热对控制效率的影响，控制效率较高。

Description

一种飞行控制装置、无人机控制系统及无人机

技术领域

本实用新型涉及航空技术领域，具体而言，涉及一种飞行控制装置、无人机控制系统及无人机。

背景技术

无人机即无人驾驶飞机，其采用卫星定位、遥感、地理空间、航空航天、自动控制、计算机辅助分析等高新技术，可服务于国土、测绘、林业、交通、水利及军事等多个领域。

无人机的飞行控制装置主要执行无人机的飞行姿态计算、飞行航线控制、飞行数据反馈，以及在飞行过程中执行相关的飞行任务，从结构分工角度看，飞行控制装置就是无人机的行动中枢，其稳定性决定着无人机整个飞行过程的安全性。

相关技术中的飞行控制装置均采用一个控制器的方式，由于单个控制器要承担所有的控制运算，而随着无人机运算量的日益增加，使得控制器的散热效率较低，从而进一步影响了控制效率。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种飞行控制装置、无人机控制系统及无人机，通过双控制器的方式减少散热对控制效率的影响，控制效率较高。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种飞行控制装置，所述装置包括：现场可编程门阵列FPGA、中央处理器CPU和快速外设部件互连标准PCI-E总线；所述FPGA通过所述PCI-E总线与所述CPU连接；

所述FPGA，用于获取飞行数据，对所述飞行数据进行预处理，得到处理后的飞行数据，并将处理后的飞行数据传输给与所述FPGA连接的CPU；

所述CPU，用于通过所述PCI-E总线接收与所述CPU连接的FPGA发送的所述飞行数据，对所述飞行数据进行处理，得到控制信号；其中，所述控制信号用于控制无人机的飞行状态。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述FPGA上设置有串行外设接口SPI；

所述FPGA通过所述SPI获取所述飞行数据。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，

所述FPGA，还用于按照预设时间间隔向所述CPU提供看门狗信号；

所述CPU，还用于接收所述FPGA发送的所述看门狗信号，判断接收的所述看门狗信号是否处于异常状态，并在判断出处于异常状态时，对异常状态下的FPGA进行重启。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述CPU采用Atom处理器或P2020处理器。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种无人机控制系统，所述系统包括第一方面、第一方面的第一种可能的实施方式至第一方面的第三种可能的实施方式中任一种可能的实施方式所述的飞行控制装置，所述飞行控制装置为多个；任一个飞行控制装置均与相邻的两个飞行控制装置连接，形成环状拓扑结构，以便于通过所述环状拓扑结构将任一个飞行控制装置处理后的控制信号传输至相邻的飞行控制装置。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，

所述飞行控制装置，还用于通过所述环状拓扑结构获取与所述飞行控制装置连接的相邻的飞行控制装置发送的控制信号，判断获取的控制信号和自身对飞行数据进行处理得到的控制信号是否一致，根据判断结果对所有飞行控制装置进行控制。

第三方面，本实用新型实施例还提供了一种包括第二方面或第二方面的第一种可能的实施方式所述的无人机控制系统的无人机。

第四方面，本实用新型实施例还提供了一种无人机控制系统，所述系统包括第一方面、第一方面的第一种可能的实施方式至第一方面的第三种可能的实施方式中任一种可能的实施方式所述的飞行控制装置，还包括主控装置；所述飞行控制装置为多个，多个飞行控制装置分别与所述主控装置连接；

所述主控装置，用于接收所述多个飞行控制装置分别发送的控制信号，并判断接收的多个控制信号是否一致，根据判断结果对所述无人机进行控制。

结合第四方面，本实用新型实施例提供了第四方面的第一种可能的实施方式，其中，

所述飞行控制装置，还用于按照预设时间间隔向与所述飞行控制装置连接的主控装置提供看门狗信号；

所述主控装置，还用于接收多个飞行控制装置分别发送的看门狗信号，判断接收的多个看门狗信号是否处于异常状态，并在判断出处于异常状态时，确定异常状态对应的飞行控制装置，并将确定的飞行控制装置进行重启或隔离。

第五方面，本实用新型实施例还提供了一种包括第四方面或第四方面的第一种可能的实施方式所述的无人机控制系统的无人机。

本实用新型实施例中，飞行控制装置包括：现场可编程门阵列FPGA、中央处理器CPU和快速外设部件互连标准PCI-E总线；FPGA通过PCI-E总线与CPU连接；FPGA，用于获取飞行数据，对飞行数据进行预处理，得到处理后的飞行数据，并将处理后的飞行数据传输给与FPGA连接的CPU；CPU，用于通过PCI-E总线接收与CPU连接的FPGA发送的飞行数据，对飞行数据进行处理，得到控制信号；其中，控制信号用于控制无人机的飞行状态。本实用新型实施例中的飞行控制装置、无人机控制系统及无人机，通过双控制器的方式减少散热对控制效率的影响，控制效率较高。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1示出了本实用新型实施例所提供的一种飞行控制装置的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的一种无人机控制系统的结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的另一种无人机控制系统的结构示意图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的一种无人机控制系统的电源工作示意图。

主要元件符号说明：

1、飞行控制装置(其中，1a、飞行控制装置；1b、飞行控制装置；……1d、飞行控制装置)；2、主控装置；11、FPGA；12、CPU；13、PCI-E总线。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

考虑到相关技术中的飞行控制装置均采用一个控制器的方式，由于单个控制器要承担所有的控制运算，而随着无人机运算量的日益增加，使得控制器的散热效率较低，从而进一步影响了控制效率。基于此，本实用新型实施例提供了一种飞行控制装置、无人机控制系统及无人机，通过双控制器的方式减少散热对控制效率的影响，控制效率较高。

首先对本实用新型实施例提供的飞行控制装置1的具体结构进行如下说明：

参见图1，本实用新型实施例提供了一种飞行控制装置1，该装置具体包括：现场可编程门阵列FPGA11、中央处理器CPU12和快速外设部件互连标准PCI-E总线13；FPGA11通过PCI-E总线13与CPU12连接；

FPGA11，用于获取飞行数据，对飞行数据进行预处理，得到处理后的飞行数据，并将处理后的飞行数据传输给与FPGA11连接的CPU12；

CPU12，用于通过PCI-E总线13接收与CPU12连接的FPGA11发送的飞行数据，对飞行数据进行处理，得到控制信号；其中，控制信号用于控制无人机的飞行状态。

本实用新型实施例的飞行控制装置1包括：现场可编程门阵列FPGA11、中央处理器CPU12和快速外设部件互连标准PCI-E总线13；FPGA11通过PCI-E总线13与CPU12连接，与相关技术中采用单个控制器的方式由于单个控制器要承担所有的控制运算，而随着无人机运算量的日益增加，使得控制器的散热效率较低，导致控制效率也较低相比，其通过FPGA11获取飞行数据，并对飞行数据进行预处理，将处理后的飞行数据通过PCI-E总线13发送至CPU12，以通过CPU12对飞行数据进行处理，得到用于控制无人机飞行状态的控制信号，其通过FPGA11进行简单的预处理，然后再通过CPU12进行高级运算，采用双控制器的方式减少散热对控制效率的影响，控制效率较高。

其中，本实用新型实施例所提供的飞行控制装置1中的FPGA11在获取飞行数据后，将对获取的飞行数据进行预处理，该预处理过程主要是对获取的飞行数据的过滤和清洗，过滤的不完整的数据信息，清洗的是冗余的数据信息，通过FPGA11的预处理，将有助于CPU12的进一步处理。

考虑到本实用新型实施例所提供的飞行控制装置1主要应用于无人机技术领域，所以需要处理性能优良的芯片，在本实用新型实施例中的CPU12可以采用Freescale公司的PowerPC(Performance Optimization With Enhanced RISC–Performance Computing)处理器P2020，还可以采用Intel的灵动处理器ATOM，还可以是其他具有处理功能的处理器，其中，上述CPU12外接SD((Secure Digital Memory Card，安全数字存储卡)卡、Flash以及DDR(Double Data Rate，双倍速率)存储器等存储模块；CPU12以串口、网口、HDMI(HighDefinition Multimedia Interface，高清晰度多媒体接口)及USB(Universal SerialBus，通用串行总线)等接口形式外接数据模块；FPGA11外接PWM(Pulse-Width Modulation，脉冲宽度调制)接口、串口、SPI(Serial Peripheral interface，串行外围接口)、I2C(Inter-Integrated Circuit，内部集成电路)、IO(Input/Output，输入/输出)及ADC(Analog-to-digital converter,模数转换器)等各种数据及接口。

另外，本实用新型实施例还通过设置在FPGA11上的SPI获取飞行数据。

其中，上述飞行数据通过相应的采集装置进行采集，在本实用新型实施例中，该采集装置能够是定位无人机的GPS(Global Positioning System，全球定位系统)模块，用于采集位置信息和速度信息，以便于CPU12生成控制无人机飞行速度的控制信号，还能够是IMU(Inertial measurement unit，惯性测量单元)、罗盘、气压计，用于分别采集当前飞行环境下的无人机的姿态信息(即加速度信息和角速度信息)、方向信息和气压高度信息，以便于CPU12生成控制无人机飞行姿态、飞行方向和飞行高度的控制信号，还能够是测量无人机周边环境温度的温度传感器，还能够是上述采集装置中的各种组合。针对不同用户的需求，本实用新型实施例还能够设置具有其他功能的传感器，本实用新型实施例包括上述检测传感器，但不限于上述检测传感器。

进一步的，为了实现CPU12对FPGA11的实时监控，上述FPGA11将按照预设时间间隔向CPU12提供看门狗信号，即FPGA11将对CPU12提供看门狗信号，当CPU12检测到看门狗信号失常时，可认为该FPGA11处于异常状态，如异常则对该异常状态下的FPGA11进行重启动操作。

本实用新型实施例的飞行控制装置1包括：现场可编程门阵列FPGA11、中央处理器CPU12和快速外设部件互连标准PCI-E总线13；FPGA11通过PCI-E总线13与CPU12连接，与相关技术中采用单个控制器的方式由于单个控制器要承担所有的控制运算，而随着无人机运算量的日益增加，使得控制器的散热效率较低，导致控制效率也较低相比，其通过FPGA11获取飞行数据，并对飞行数据进行预处理，将处理后的飞行数据通过PCI-E总线13发送至CPU12，以通过CPU12对飞行数据进行处理，得到用于控制无人机飞行状态的控制信号，其通过FPGA11进行简单的预处理，然后再通过CPU12进行高级运算，采用双控制器的方式减少散热对控制效率的影响，控制效率较高。

基于上述飞行控制装置1，本实用新型实施例还提供了一种无人机控制系统，该系统中的飞行控制装置1为多个，任一个飞行控制装置1均与相邻的两个飞行控制装置1连接，形成环状拓扑结构，以便于通过环状拓扑结构将任一个飞行控制装置1处理后的控制信号传输至相邻的飞行控制装置1。

其中，对于任一个飞行控制装置1而言，其将通过该环状拓扑结构获取与飞行控制装置1连接的相邻的飞行控制装置1发送的控制信号，判断获取的控制信号和自身对飞行数据进行处理得到的控制信号是否一致，根据判断结果对所有飞行控制装置1进行控制。

考虑到上述无人机控制系统的应用场景，本实用新型实施例中的飞行控制装置1优选为四个。参见图2，基于优选的四个飞行控制装置1和上述环状拓扑结构进行无人机的四余度控制的无人机控制系统的结构示意图。那么，四个飞行控制装置1将对应四个控制信号(获取的三个控制信号和自身对飞行数据进行处理得到的控制信号)，对于四个控制信号而言，若其中一个控制信号与其他的三个控制信号不相同，则根据少数服从多数的方法判断其中一个控制信号对应的飞行控制装置1为异常，则本实用新型实施例能够重启该异常状态下的飞行控制装置1，直至在重启达到正常状态后才进行工作，还能够直接隔离该异常状态下的飞行控制装置1使其不再接着向其他飞行控制装置1发送数据；若其中两个控制信号与其他的两个控制信号不相同，相应的，能够将对应的异常状态下的两个飞行控制装置1进行重启或隔离。考虑到不同飞行控制装置1同一时间出错的概率较小，通过上述少数服从多数的原则即可进行相应的控制，实用性更强。

本实用新型实施例的无人机控制系统包括：多个飞行控制装置1；任一个飞行控制装置1均与相邻的两个飞行控制装置1连接，形成环状拓扑结构，以便于通过环状拓扑结构将任一个飞行控制装置1处理后的控制信号传输至相邻的飞行控制装置1，其采用多个飞行控制装置1进行无人机控制，在保证控制效率的同时，还使得控制稳定可靠。

本实用新型实施例还提供了一种无人机，该无人机采用上述无人机控制系统进行控制，控制高效且稳定可靠，实用性更强。

本实用新型实施例还提供了一种无人机控制系统，该系统包括多个飞行控制装置1，还包括主控装置2，多个飞行控制装置1分别与主控装置2连接；

主控装置2，用于接收多个飞行控制装置1分别发送的控制信号，并判断接收的多个控制信号是否一致，根据判断结果对无人机进行控制。

具体的，本实用新型实施例中的飞行控制装置1为多个，且多个飞行控制装置1均与主控装置2连接以进行各个飞行控制装置1与主控装置2之间的数据交互，那么，每个飞行控制装置1均受控于上述主控装置2，主控装置2能够对多个飞行控制装置1分别发送的控制信号进行一致性判断，并根据判断结果对无人机进行控制。参见图3，以四个飞行控制装置1为例构成的无人机控制系统的示意图，主控装置2能够对四个飞行控制装置1分别发送的控制信号进行一致性判断，并根据判断结果对无人机进行控制。

进一步的，为了实现主控装置2对飞行控制装置1的实时监控，上述飞行控制装置1将按照预设时间间隔向主控装置2提供看门狗信号，主控装置2将接收多个控制装置发送的看门狗信号，对于多个看门狗信号而言，主控装置2在检测到看门狗信号失常时，可认为对应的飞行控制装置1处于异常状态，可通过异常状态通信通道询问正常的飞行控制装置1，以确定疑似异常单元是否确实异常，如异常则对该异常状态下的飞行控制装置1进行重启动操作，当看门狗正常时，如其他多个飞行控制装置1均下达重启某一个飞行控制装置1的命令时，主控装置2也将完成重启动操作。

本实用新型实施例所提供的无人机控制系统采用隔离式DC-DC芯片进行供电，对无人机主电平面和飞控电平面进行隔离，不仅提高飞控抗外部干扰能力，还能将电源转换为飞控电平面常规12V。参见图4，现对四余度的无人机控制系统的电源装置进一步进行说明，该电源装置与主控装置2连接，以对主控装置2及与该主控装置2相连接的其他器件进行供电。

由图可知，进行完电源隔离后，分四路进行12V转5V，此步DC-DC需带有使能管脚，可完成芯片输出禁止与恢复，可搭配主控装置2进行电源关断和重开机。此阶段，第一、二两路，第三、四两路电源输出间各增加一个固态继电器，可受控开启，完成单电源芯片供给两路任务。因此电源芯片选型时需预留足够的负载能力。

当飞行控制装置1产生重大故障时，首先关断12V转5V的DC-DC芯片，等待一段时候重新恢复供电，当情况并无好转时再次关断12V转5VDC-DC芯片，再等待一段时间开启继电器，进行双路供电输出，如情况依然无法得到改善则断开继电器，等待更长的时候使能芯片，并不断重复尝试循环。当情况恶化时，则关闭继电器，只进行重开机操作，并延长失败等待间隔。

本实用新型实施例的无人机控制系统包括：多个飞行控制装置1和主控装置2，多个飞行控制装置1分别与主控装置2连接；主控装置2接收多个飞行控制装置1分别发送的控制信号，并判断接收的多个控制信号是否一致，根据判断结果对无人机进行控制，其采用多个飞行控制装置1和主控装置2进行无人机控制，在保证控制效率的同时，还使得控制稳定可靠。

本实用新型实施例还提供了一种无人机，该无人机采用上述无人机控制系统进行控制，控制高效且稳定可靠，实用性更强。

在本实用新型所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种飞行控制装置，其特征在于，包括：现场可编程门阵列FPGA、中央处理器CPU和快速外设部件互连标准PCI-E总线；所述FPGA通过所述PCI-E总线与所述CPU连接；

所述FPGA，用于获取飞行数据，对所述飞行数据进行预处理，得到处理后的飞行数据，并将处理后的飞行数据传输给与所述FPGA连接的CPU；

所述CPU，用于通过所述PCI-E总线接收与所述CPU连接的FPGA发送的所述飞行数据，对所述飞行数据进行处理，得到控制信号；其中，所述控制信号用于控制无人机的飞行状态。

2.根据权利要求1所述的飞行控制装置，其特征在于，所述FPGA上设置有串行外设接口SPI；

所述FPGA通过所述SPI获取所述飞行数据。

3.根据权利要求1所述的飞行控制装置，其特征在于，

所述FPGA，还用于按照预设时间间隔向所述CPU提供看门狗信号；

所述CPU，还用于接收所述FPGA发送的所述看门狗信号，判断接收的所述看门狗信号是否处于异常状态，并在判断出处于异常状态时，对异常状态下的FPGA进行重启。

4.根据权利要求1所述的飞行控制装置，其特征在于，所述CPU采用Atom处理器或P2020处理器。

5.一种无人机控制系统，包括权利要求1至4中任一项所述的飞行控制装置，其特征在于，所述飞行控制装置为多个；任一个飞行控制装置均与相邻的两个飞行控制装置连接，形成环状拓扑结构，以便于通过所述环状拓扑结构将任一个飞行控制装置处理后的控制信号传输至相邻的飞行控制装置。

6.根据权利要求5所述的无人机控制系统，其特征在于，

所述飞行控制装置，还用于通过所述环状拓扑结构获取与所述飞行控制装置连接的相邻的飞行控制装置发送的控制信号，判断获取的控制信号和自身对飞行数据进行处理得到的控制信号是否一致，根据判断结果对所有飞行控制装置进行控制。

7.一种包括权利要求5或6所述的无人机控制系统的无人机。

8.一种无人机控制系统，包括权利要求1至4中任一项所述的飞行控制装置，其特征在于，还包括主控装置；所述飞行控制装置为多个，多个飞行控制装置分别与所述主控装置连接；

所述主控装置，用于接收所述多个飞行控制装置分别发送的控制信号，并判断接收的多个控制信号是否一致，根据判断结果对所述无人机进行控制。

9.一种包括权利要求8所述的无人机控制系统的无人机。