CN216118420U - 一种大中型固定翼无人机航电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大中型固定翼无人机航电系统，包括两个飞控计算机，飞控计算机分别与光纤组合导航系统、垂直陀螺、角速率陀螺、大气数据计算机、无线电高度表、发动机控制单元、飞参系统和综合信号采集器连接；飞控计算机内设置的双天线GPS与MEMS组合导航系统实现双向通讯；飞控计算机还分别与襟翼控制系统、数据链路终端、前部舵机控制器、尾部舵机控制器相连；其中，两个飞控计算机相互通讯，互为备份；实现设备功能双控制、双监控的双余度设计；跟单飞控单余度和单飞控双余度航电系统相比，该系统架构能大幅度提高飞行与控制安全。

Description

一种大中型固定翼无人机航电系统

技术领域

本实用新型属于无人机控制技术领域，具体涉及一种大中型固定翼无人机航电系统。

背景技术

无人机航电系统是无人机系统的重要组成部分，主要包括机载的各种姿态传感器，温度传感器、压力传感器、转速传感器，供电系统，大气数据采集系统，数据传输系统，各种任务系统，还有最重要的飞控系统等。大多数的航电系统，在供电，接口、功能及控制方面都是单余度，没有备份，可靠性低，中间只要一个环节出了问题，整个系统就会瘫痪，严重影响任务的完成及飞行安全。

无人机飞控系统作为无人机的“大脑”，是各种无人机系统中的关键航电设备。但其容易受到诸多不确定因素影响，包括导航飞控系统的姿态、航向、高度、速度、GPS位置等关键输出易受到干扰。现有的飞控系统大多为一个控制中心，集成了各种单余度控制要素；当该控制中心发生故障时会导致整个航电系统无法正常运行，甚至是瘫痪；大大影响了飞行安全问题。因此，航电系统多余度的优化控制更应受到广泛关注。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种大中型固定翼无人机航电系统，以两个飞控计算机为架构核心，以安全性评估结果为指导，构建出无人机各部件/系统双余度控制、双余度监控的航电系统架构。

本实用新型所采用的技术方案是：一种大中型固定翼无人机航电系统，包括两个飞控计算机，飞控计算机分别与光纤组合导航系统、垂直陀螺、角速率陀螺组件、大气数据计算机、无线电高度表、发动机控制单元、飞参系统和综合信号采集器连接；飞控计算机内设置有双天线GPS与MEMS组合导航系统实现双向通讯；飞控计算机还分别与襟翼控制系统、数据链路终端、前部舵机控制器、尾部舵机控制器相连；其中，两个飞控计算机相互通讯，互为备份。

本实用新型的特点还在于，

飞控计算机与无人机上各设备相连，设备包含若干个可扩展的接口；

大气数据计算机包括主大气数据系统和备大气数据计算机；备大气数据计算机包括能够实时测量大气数据的大气数据传感器，大气数据包括指示空速、真空速、气压高度、升降速度、攻角、侧滑角；

飞参系统包括具有坠毁保护功能的记录器，记录器与飞控计算机相连；

综合信号采集器通过通讯接口与飞控计算机电性连接。

光纤组合导航系统用于提供飞机的三轴姿态、三轴角速率、三轴加速度、三轴速度、经纬度和高度信息；

MEMS组合导航系统由惯性测量部件和GNSS天线组成，用于提供飞机的三轴姿态、三轴角速率、三轴加速度、三轴速度、经纬度和高度信息；

垂直陀螺是三自由度陀螺，用来确定飞机相对地平面的俯仰角和倾斜角；

角速率陀螺组件为三轴，用于测量无人机绕俯仰轴、倾斜轴和航向轴的转动角速度；

无线电高度表用于测量飞机距离地面的真实高度。

数据链路终端与地面测控终端相连，数据链路终端包括L波段机载终端和 U波段机载终端；L波段机载终端包括收发组合、机载天线、图像编码器； U波段机载终端采用时分体制，并采用扩频体制，工作频段为U波段；

飞控计算机分别与襟翼控制系统的上襟翼电机和下襟翼电机电性连接，用于控制襟翼收上与放下；

发动机控制单元包括双余度控制器，双余度控制器采用主控制器通道控制主线圈，备控制器通道控制备线圈；发动机控制单元还包括前部舵机控制器和尾部舵机控制器；

前部舵机控制器分别连接副翼舵机、油门舵机、桨距舵机、刹车压力舵机、刹车分配舵机；各舵机之间是独立的，前部舵机控制器和飞控计算机相连；飞控计算机通过舵机控制器发送指令给舵机，控制各类舵机正向旋转和逆向旋转；

尾部舵机控制器分别连接升降舵机、方向舵机；各舵机之间是独立的，飞控计算机通过尾部舵机控制器与各舵机相连，控制各类舵机正向旋转和逆向旋转，升降舵机控制飞机爬升和降落，方向舵机控制飞机左右转弯。

还包括滑油控制系统、发动机起动系统、灭火系统、燃油系统和照明系统；

滑油控制系统包括滑油散热器风门电动机构和鱼鳞板电动机构，滑油控制系统与飞控计算机相连，滑油控制系统中的滑油散热器风门位置传感器、滑油压力传感器、滑油温度传感器与综合信号采集器电性连接；

发动机起动系统包括点火线路自动保护开关继电器、储能继电器、起动继电器和两个磁电机继电器，上述继电器与飞控计算机电性连接；

灭火系统包括火警信号传感器和灭火继电器，火警信号传感器能够感知机上的温度变化，判断发生火情时输出高电压信号给飞控计算机；飞控计算机能够向灭火继电器输出灭火控制信号，以打开灭火瓶进行灭火；

燃油系统包括两个燃油切断阀、一个燃油电磁阀和一个燃油泵控制器；综合信号采集器连接燃油切断阀、燃油电磁阀和燃油泵控制器，综合信号采集器还连接油箱油量传感器、燃油压力传感器；

照明系统包括左右航行灯和尾航行灯、驾驶舱顶灯、货舱顶灯，综合信号采集器与左右航行灯和尾航行灯、驾驶舱顶灯、货舱顶灯电性连接控制灯的开与关。

本实用新型的一种大中型固定翼无人机航电系统还包括电气负载管理中心，还包括电气负载管理中心，电气负载管理中心分别连接发电机和蓄电池，电气负载管理中心依据飞控计算机通过通讯总线发出的控制指令分配电能，同时电气负载管理中心将自检测和配电状态信息回传给飞控计算机。

电气负载管理中心从主汇流条上取电，一部分电能用于自身工作，其余电能根据后级负载用电需求进行自动分配，综合信号采集器用于采集机上多路模拟量信号、离散量信号及频率信号，并通过通讯总线将采集到的信号上传至飞控计算机；并通过串行总线接收飞控计算机下发的控制指令，控制离散量输出通道输出。

本实用新型的有益效果是：本实用新型以两个飞控计算机为架构核心，以安全性评估结果为指导，构建出无人机各部件/系统双余度控制与管理、双余度监控的航电系统架构。本实用新型的光纤组合导航系统和MEMS组合导航系统协同能够良好的控制导航飞控系统的姿态、航向、高度、速度、GPS位置等关键输出不受到干扰，同时垂直陀螺和角速率陀螺作为备用余度也能够对飞行姿态进行调整；跟单飞控单余度和单飞控双余度航电系统相比，该系统架构能大幅度提高飞行与控制安全。本实用新型的无人机航电系统，飞机-发动机-控制系统完美匹配，具备良好的气动参数；整机具有起飞载荷大，续航时间长，起降能力强，可靠性高，易使用，易维护和高性价比等性能优势。

附图说明

图1为本实用新型一种大中型固定翼无人机航电系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。这些描述只是示例性的，而非限制本实用新型的范围。

如图1所示，一种大中型固定翼无人机航电系统，包括两个飞控计算机，飞控计算机分别与光纤组合导航系统、垂直陀螺、角速率陀螺组件、大气数据计算机、无线电高度表、发动机控制单元、飞参系统和综合信号采集器连接；飞控计算机内设置的双天线GPS与MEMS组合导航系统实现双向通讯；飞控计算机还分别与襟翼控制系统、数据链路终端、前部舵机控制器、尾部舵机控制器相连；其中，两个飞控计算机相互通讯，互为备份；实现设备功能双控制、双监控的双余度设计。

光纤组合导航系统提供飞机的三轴姿态、三轴角速率、三轴加速度、三轴速度、经纬度和高度等信息，为关键传感器设备，要求具备高精度和高可靠性；

MEMS组合导航系统由惯性测量部件和GNSS天线组成。可以提供飞机的三轴姿态、三轴角速率、三轴加速度、三轴速度、经纬度和高度等信息，为关键传感器设备；

垂直陀螺是三自由度陀螺，它用来确定飞机相对地平面的俯仰角和倾斜角，并将其转换为电参数后输送给飞控计算机；

角速率陀螺组件为三轴，其用于测量无人机绕俯仰轴、倾斜轴和航向轴的转动角速度，并输出与之成正比的直流电压信号；

大气数据计算机包括主大气数据系统和备大气数据计算机；主大气数据系统用于提供大气高度、大气温度、动压、静压、空速、表速、升降速度等信息；备大气数据计算机可通过配套大气数据传感器采集的信号解算出指示空速、真空速、气压高度、升降速度、攻角、侧滑角等大气数据，同时可实现对大气数据传感器加热控制与监控；

飞参系统用以接收和记录飞机在飞行过程中的各种飞行数据，实时保存在具有坠毁保护功能的记录器中，所记录的数据用于事故调查分析、飞行训练检查、飞机监控和维护；

无线电高度表用于测量飞机距离地面的真实高度，并将高度数据实时传输至飞控计算机中；

发动机采集系统通过综合信号采集器采集发动机的转速信号、缸头温度信号、汽化器温度信号、进气压力信号，通过RS422发送给飞控计算机；

数据链路终端与地面测控终端相连，数据链路终端包括L波段机载终端和 U波段机载终端；L波段机载终端主要包括收发组合、机载天线、图像编码器；U波段机载终端采用时分体制，并采用扩频体制，具备抗干扰能力，工作频段为U波段，作用距离不低于200km；

襟翼控制系统包括襟翼调整片电机、升降舵机调整片电机、方向舵调整片电机；由飞控计算机输出两路控制信号，分别控制襟翼收上与放下，分别接上襟翼电机和下襟翼电机，驱动舵机动作；

发动机控制单元包括双余度控制器，所述双余度控制器采用主控制器通道控制主线圈，备控制器通道控制备线圈，采用主—备的余度配置方式；包含双余度控制器，发动机控制单元还包括前部舵机控制器和尾部舵机控制器；

前部舵机控制器分别连接副翼舵机、油门舵机、桨距舵机、刹车压力舵机、刹车分配舵机；各舵机之间是独立的，前部舵机控制器和飞控计算机相连；飞控计算机通过舵机控制器发送指令给舵机，控制各类舵机正向旋转和逆向旋转；

尾部舵机控制器分别连接升降舵机、方向舵机；各舵机之间是独立的，飞控计算机通过舵机控制器发送指令给舵机，控制各类舵机正向旋转和逆向旋转，升降舵机控制飞机爬升和降落，方向舵机控制飞机左右转弯；

还包括滑油控制系统、发动机起动系统、灭火系统、燃油系统和照明系统；

滑油控制系统由飞控计算机输出滑油散热器风门电动机构和鱼鳞板电动机构控制继电器控制信号，同时由综合信号采集器采集滑油散热器风门位置传感器、滑油压力传感器、滑油温度传感器信号，发送给飞控计算机进行滑油的闭环控制；

发动机起动系统由飞控计算机控制点火线路自动保护开关继电器、储能继电器、起动继电器和1、2#磁电机继电器进行发动机的起动控制；

灭火系统主要是根据机上布置的火警信号传感器感知机上的温度变化，有火情时，输出高电压信号给飞控计算机，飞控计算机输出灭火继电器控制信号，继电器触点动作，切换28V灭火瓶爆炸帽，打开灭火瓶进行灭火；

燃油系统由飞控计算机发送控制指令给综合信号采集器，由综合信号采集器输出信号控制两个燃油切断阀、一个燃油电磁阀和一个燃油泵控制器，控制左右油箱燃油的接通、燃油泵的启动。并采集油箱油量传感器、燃油压力传感器信号；

照明系统由飞控计算机输出控制信号，发送给综合信号采集器控制左右航行灯和尾航行灯、驾驶舱顶灯、货舱顶灯的开与关。

还包括电气负载管理中心，电气负载管理中心从主汇流条上取电，一部分电能用于自身工作，其余电能根据后级负载用电需求进行自动分配，电能自动分配依据是飞控计算机通过RS422A总线发出的控制指令，同时电气负载管理中心将自检测和配电状态信息回传给飞控计算机；综合信号采集器用于采集机上多路模拟量信号、离散量信号及频率信号，并通过RS422串行总线将采集到的信号上传至飞控计算机；并通过串行总线接收飞控计算机下发的控制指令，控制离散量输出通道输出。

大气数据计算机的型号为EADC-10-02；可通过配套大气数据传感器采集的相关信号解算出指示空速、真空速、气压高度、升降速度、攻角、侧滑角等大气数据，同时可实现对大气数据传感器加热控制与监控。

本实用新型提出一种大中型固定翼无人机航电系统，包括两个飞控计算机、光纤组合导航系统、MEMS组合导航系统、垂直陀螺、角速率陀螺、主大气数据系统、备大气数据系统、襟翼控制系统、电气负载管理中心、综合信号采集器、L波段机载终端、U波段机载终端、刹车采集系统、发动机采集系统、飞参系统、灭火系统、无线电高度表、主舵面控制系统、发动机控制单元、滑油控制系统、发动机起动系统、燃油系统和照明系统组成。

在一个可选的实例中，两个飞控计算机为系统的核心部件，通过用于控制与管理机上设备，设备具备高可靠性，接口、功能易扩展。

在一个可选的实例中，光纤组合导航系统与飞控计算机连接，提供飞机的三轴姿态、三轴角速率、三轴加速度、三轴速度、经纬度和高度等信息，为关键传感器设备。具备高精度和高可靠性。

在一个可选的实例中，MEMS组合导航系统由惯性测量部件和GNSS天线组成。通过与飞控计算机连接，可以提供飞机的三轴姿态、三轴角速率、三轴加速度、三轴速度、经纬度和高度等信息，为关键传感器设备。

在一个可选的实例中，垂直陀螺是三自由度陀螺，它用来确定飞机相对地平面的俯仰角和倾斜角，并将其转换为电参数后输送给需要信号的飞控计算机。

在一个可选的实例中，三轴角速率陀螺与飞控计算机连接,用于测量无人机绕俯仰轴、倾斜轴和航向轴的转动角速度。

在一个可选的实例中，XAS-7B型主大气数据系统连接飞控计算机，用于提供大气高度、大气温度、动压、静压、空速、表速、升降速度等信息。

在一个可选的实例中，EADC-10-02型备大气数据计算机。通过配套大气数据传感器采集的相关信号解算出指示空速、真空速、气压高度、升降速度、攻角、侧滑角等大气数据，同时实现对大气数据传感器加热控制与监控。

在一个可选的实例中，电气负载管理中心从主汇流条上取电，一部分电能用于自身工作，其余电能根据后级负载用电需求进行自动分配，电能分配依据是飞控计算机通过RS422A总线发出的控制指令，同时电气负载管理中心将自检测和配电状态信息回传给飞控计算机。

在一个可选的实例中，综合信号采集器用于采集机上多路模拟量信号、离散量信号及频率信号，并通过RS422串行总线将采集到的信号上传至飞控计算机；并通过串行总线接收飞控计算机下发的控制指令，控制离散量输出通道输出。

在一个可选的实例中，L波段链路设备由机载数据终端和地面数据终端组成。机载数据终端主要包括收发组合、机载天线、图像编码器。

在一个可选的实例中，U波段数据链采用时分体制，并采用扩频体制，具备一定的抗干扰能力，工作频段为U波段，作用距离不低于200km(无线电通视)。

在一个可选的实例中，飞行参数记录器用以接收和记录飞机在飞行过程中的各种飞行数据，实时保存在具有坠毁保护功能的记录器中，所记录的数据用于事故调查分析、飞行训练检查、飞机监控和维护。

在一个可选的实例中，无线电高度表与飞控计算机相连，测量并输出飞机离地面的高度。

在一个可选的实例中，襟翼控制系统由飞控计算机输出两路控制信号，分别控制襟翼收上与放下，分别接上襟翼继电器和下襟翼继电器，驱动襟翼驱动舵机动作。

在一个可选的实例中，刹车采集系统主要是由综合信号采集器进行冷气压力传感器、左右刹车压力传感器的采集，采集到的信号由综合信号采集器通过 RS422发送给飞控计算机，并在出现非正常刹车时，由飞控机输出止刹电磁阀控制信号，强制解刹。

在一个可选的实例中，综合信号采集器采集发动机的转速信号、缸头温度信号、汽化器温度信号、进气压力信号，通过RS422发送给飞控计算机。

在一个可选的实例中，灭火系统主要是根据机上布置的火警信号传感器感知机上的温度变化，有火情时，输出高电压信号给飞控计算机，飞控计算机输出灭火继电器控制信号，继电器触点动作，切换28V灭火瓶爆炸帽，打开灭火瓶进行灭火。

在一个可选的实例中，舵机控制器主要由主舵面控制器、方向舵舵机、副翼舵机和升降舵舵机。

在一个可选的实例中，发动控制单元主要包含控制器(2余度)和发动机油门舵机(2余度)/桨距舵机(2余度)、高空杆舵机、汽化器舵机、停车舵机、防尘舵机、刹车压力调节舵机、刹车压力分配舵机组成。所有双余度舵机的控制采用主控制通道控制主线圈，备控制器通道控制备线圈，采用主—备的余度配置方式工作。

在一个可选的实例中，滑油控制系统由飞控计算机输出滑油散热器风门电动机构和鱼鳞板电动机构控制继电器控制信号，同时由综合信号采集器采集滑油散热器风门位置传感器、滑油压力传感器、滑油温度传感器信号，发送给飞控计算机进行滑油的闭环控制。

在一个可选的实例中，发动机起动系统由飞控计算机控制点火线路自动保护开关继电器、储能继电器、起动继电器和1、2#磁电机继电器进行发动机的起动控制。

在一个可选的实例中，燃油系统由飞控计算机通过RS422发送控制指令给综合信号采集器，由综合信号采集器输出信号控制两个燃油切断阀、一个燃油电磁阀和一个燃油泵控制器，控制左右油箱燃油的接通、燃油泵的启动。并采集油箱油量传感器、燃油压力传感器信号。

在一个可选的实例中，照明系统由飞控计算机输出控制信号，发送给综合信号采集器控制左右航行灯和尾航行灯、驾驶舱顶灯、货舱顶灯的开与关。

本实用新型的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本实用新型的原理，而不构成对本实用新型的限制。

Claims (6)

1.一种大中型固定翼无人机航电系统，其特征在于，包括两个飞控计算机，所述飞控计算机分别与光纤组合导航系统、垂直陀螺、角速率陀螺组件、大气数据计算机、无线电高度表、发动机控制单元、飞参系统和综合信号采集器连接；所述飞控计算机内设置有双天线GPS与MEMS组合导航系统实现双向通讯；所述飞控计算机还分别与襟翼控制系统、数据链路终端、前部舵机控制器、尾部舵机控制器相连；其中，两个飞控计算机相互通讯，互为备份。

2.根据权利要求1所述的一种大中型固定翼无人机航电系统，其特征在于，所述飞控计算机与无人机上各设备相连，所述设备包含若干个可扩展的接口；

所述大气数据计算机包括主大气数据系统和备大气数据计算机；所述备大气数据计算机包括能够实时测量大气数据的大气数据传感器，所述大气数据包括指示空速、真空速、气压高度、升降速度、攻角、侧滑角；

所述飞参系统包括具有坠毁保护功能的记录器，所述记录器与飞控计算机相连；

所述综合信号采集器通过通讯接口与飞控计算机电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种大中型固定翼无人机航电系统，其特征在于，

所述光纤组合导航系统用于提供飞机的三轴姿态、三轴角速率、三轴加速度、三轴速度、经纬度和高度信息；

所述MEMS组合导航系统由惯性测量部件和GNSS天线组成，用于提供飞机的三轴姿态、三轴角速率、三轴加速度、三轴速度、经纬度和高度信息；

所述垂直陀螺是三自由度陀螺，用来确定飞机相对地平面的俯仰角和倾斜角；

所述角速率陀螺组件为三轴，用于测量无人机绕俯仰轴、倾斜轴和航向轴的转动角速度；

所述无线电高度表用于测量飞机距离地面的真实高度。

4.根据权利要求2所述的一种大中型固定翼无人机航电系统，其特征在于，所述数据链路终端与地面测控终端相连，所述数据链路终端包括L波段机载终端和U波段机载终端；所述L波段机载终端包括收发组合、机载天线、图像编码器；所述U波段机载终端采用时分体制，并采用扩频体制，工作频段为U波段；

所述飞控计算机分别与襟翼控制系统的上襟翼电机和下襟翼电机电性连接，用于控制襟翼收上与放下；

所述发动机控制单元包括双余度控制器，所述双余度控制器采用主控制器通道控制主线圈，备控制器通道控制备线圈；所述发动机控制单元还包括前部舵机控制器和尾部舵机控制器；

所述前部舵机控制器分别连接副翼舵机、油门舵机、桨距舵机、刹车压力舵机、刹车分配舵机；各舵机之间是独立的，前部舵机控制器和飞控计算机相连；所述飞控计算机通过舵机控制器发送指令给舵机，控制各类舵机正向旋转和逆向旋转；

所述尾部舵机控制器分别连接升降舵机、方向舵机；各舵机之间是独立的，所述飞控计算机通过尾部舵机控制器与各舵机相连，控制各类舵机正向旋转和逆向旋转，升降舵机控制飞机爬升和降落，方向舵机控制飞机左右转弯。

5.根据权利要求1所述的一种大中型固定翼无人机航电系统，其特征在于，还包括滑油控制系统、发动机起动系统、灭火系统、燃油系统和照明系统；

所述滑油控制系统包括滑油散热器风门电动机构和鱼鳞板电动机构，所述滑油控制系统与所述飞控计算机相连，所述滑油控制系统中的滑油散热器风门位置传感器、滑油压力传感器、滑油温度传感器与所述综合信号采集器电性连接；

所述发动机起动系统包括点火线路自动保护开关继电器、储能继电器、起动继电器和两个磁电机继电器，上述继电器与飞控计算机电性连接；

所述灭火系统包括火警信号传感器和灭火继电器，所述火警信号传感器能够感知机上的温度变化，判断发生火情时输出高电压信号给飞控计算机；所述飞控计算机能够向灭火继电器输出灭火控制信号，以打开灭火瓶进行灭火；

所述燃油系统包括两个燃油切断阀、一个燃油电磁阀和一个燃油泵控制器；所述综合信号采集器连接所述燃油切断阀、燃油电磁阀和燃油泵控制器，所述综合信号采集器还连接油箱油量传感器、燃油压力传感器；

所述照明系统包括左右航行灯和尾航行灯、驾驶舱顶灯、货舱顶灯，所述综合信号采集器与左右航行灯和尾航行灯、驾驶舱顶灯、货舱顶灯电性连接控制灯的开与关。

6.根据权利要求1所述的一种大中型固定翼无人机航电系统，其特征在于，还包括电气负载管理中心，所述电气负载管理中心分别连接发电机和蓄电池。

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