适用于小型民用无人机的传感器双余度飞控计算机系统.pdf

适用于小型民用无人机的传感器双余度飞控计算机系统，涉及无人机航电领域，解决了现有飞控计算机余度设计存在的通用性差、设计复杂、体积重量大的问题。包括飞控模块、余度传感器模块、扩展接口模块、执行机构模块和供电模块，飞控模块和余度传感器模块各自具有独立的处理器，通过处理器外部接口集成了加速度计、陀螺、磁力计、气压高度计等传感器，采用同步方式使两个模块在每个周期并行工作，利用各自的处理器对获取的原始传感器数据进行处理。飞控处理器每个周期对传感器信息进行诊断，将诊断信息发送给余度数据处理器，若传感器失效，则利用余度数据处理器发送的余度传感器信息进行导航、控制的解算。本发明便于实现、成本低、可靠性高。

权利要求书
1.  适用于小型民用无人机的传感器双余度飞控计算机系统，包括用于给飞控计算机系统供电的供电模块和与供电模块相连的执行机构模块；其特征在于，还包括：
与供电模块相连的飞控模块，所述飞控模块包括：飞控处理器和与飞控处理器相连的数传模块、陀螺传感器、加速度计、磁力计、GPS模块、空速计、气压高度计、CAN总线接口；所述飞控处理器通过数传模块与地面测控系统之间进行通信；所述飞控处理器给余度传感器模块发送同步信号，接收余度传感器模块的同步应答信号，采集飞控模块中的各传感器测量的数据信息并对其进行健康状态诊断，同时将诊断结果发送给余度传感器模块，对飞控模块中的各传感器测量的数据信息进行导航和控制解算并将解算出的控制信号发送给扩展接口模块，接收余度传感器模块发送的对应的余度传感器测量的数据信息并对其进行导航和控制解算，同时将解算出的控制信号发送给扩展接口模块，控制飞控计算机系统进入传感器故障下的应急控制模式；
与供电模块相连的余度传感器模块，所述余度传感器模块包括：余度数据处理器和与余度数据处理器相连的陀螺传感器、加速度计、磁力计、GPS模块、空速计、气压高度计、CAN总线接口；所述余度传感器模块中的CAN总线接口与飞控模块中的CAN总线接口相连；所述飞控处理器与余度数据处理器之间通过飞控模块中的CAN总线接口和余度传感器模块中的CAN总线接口进行通信；所述余度数据处理器接收飞控处理器的同步信号和将同步应答信号反馈给飞控处理器，接收飞控处理器发送的传感器健康状态诊断信息，对余度传感器模块中对应的余度传感器测量的数据信息进行健康状态诊断，将对应的余度传感器测量的数据信息发送给飞控处理器，将对应的余度传感器故障信息发送给飞控处理器；
与供电模块相连的扩展接口模块，所述扩展接口模块包括：接口控制器和与接口控制器相连的CAN总线接口；所述CAN总线接口与飞控模块中的CAN总线接口相连；所述接口控制器通过CAN总线接口和飞控模块中的CAN总线接口与飞控处理器之间进行通信；所述接口控制器接收飞控处理器发送的控制信号 并将其转换为控制执行机构模块动作的PWM信号，将PWM信号发送给执行机构模块。

2.  根据权利要求1所述的适用于小型民用无人机的传感器双余度飞控计算机系统，其特征在于，所述供电模块包括处理单元供电模块和执行机构供电模块；所述处理单元供电模块分别与飞控模块、扩展接口模块和余度传感器模块相连，用于给飞控模块、余度传感器模块和扩展接口模块供电；所述执行机构供电模块与执行机构模块相连，用于给执行机构模块供电。

3.  根据权利要求2所述的适用于小型民用无人机的传感器双余度飞控计算机系统，其特征在于，所述处理单元供电模块采用12V锂电池。

4.  根据权利要求2所述的适用于小型民用无人机的传感器双余度飞控计算机系统，其特征在于，所述执行机构供电模块采用7.4V锂电池。

5.  根据权利要求1所述的适用于小型民用无人机的传感器双余度飞控计算机系统，其特征在于，所述执行机构模块包括：副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机，所述副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机均与扩展接口模块中的接口控制器相连，所述副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机接收接口控制器发送的PWM信号。

6.  根据权利要求5所述的适用于小型民用无人机的传感器双余度飞控计算机系统，其特征在于，所述副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机均采用高压数字舵机，分别控制无人机的副翼舵面、方向舵面、升降舵面和油门舵面的偏转。

7.  根据权利要求1所述的适用于小型民用无人机的传感器双余度飞控计算机系统，其特征在于，所述扩展接口模块还包括与接口控制器相连的遥控器接收机接口、AD总线接口、SPI总线接口和UART接口，所述遥控器接收机接口、AD总线接口、SPI总线接口和UART接口为扩展接口模块中的扩展器件，所述遥控器接收机接口用于实现接口控制器与地面遥控器接收机之间的通信。

8.  根据权利要求1所述的适用于小型民用无人机的传感器双余度飞控计算机系统，其特征在于，所述飞控处理器和余度数据处理器均采用STM32芯片。

说明书适用于小型民用无人机的传感器双余度飞控计算机系统
技术领域
本发明涉及无人机航电技术领域，具体涉及一种适用于小型民用无人机的传感器双余度飞控计算机系统。
背景技术
无人机为了完成飞行任务，需要携带压力、振动和位置感应器等，这些感应器构成了无人机的传感器系统，它们用来精确测量无人机的运动或状态参数，将测量的信息反馈给无人机导航、控制和地面测控系统。目前小型民用无人机产品设计关注的重点是更小的体积和更低的成本，一般采用低成本的传感器，这类传感器在严酷的外界环境中发生故障的概率较高，一旦发生故障将直接威胁到无人机的飞行安全，因而在采用低成本传感器的前提下如何保证无人机的可靠性已经成为无人机设计的关键性问题。
为解决上述问题，提高无人机飞行的可靠性，不同的余度设计技术应运而生。目前，在进行飞控计算机余度设计时，利用原有飞控处理器扩展出的接口集成余度传感器，这种方法在实现过程中增加了处理器的负担，也不具有通用性，可移植性差。另外，飞控计算机通过采用多个处理器互联，进行处理器的余度设计，并通过仲裁电路进行输出的表决，该方法增加了软、硬件设计的复杂度，增加了飞控计算机的体积和重量，可实现性大大降低。
发明内容
为了解决现有飞控计算机余度设计存在的通用性差、设计复杂、体积重量大的问题，本发明提供一种适用于小型民用无人机的传感器双余度飞控计算机系统。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明适用于小型民用无人机的传感器双余度飞控计算机系统，包括用于给飞控计算机系统供电的供电模块和与供电模块相连的执行机构模块；还包括：
与供电模块相连的飞控模块，所述飞控模块包括：飞控处理器和与飞控处理器相连的数传模块、陀螺传感器、加速度计、磁力计、GPS模块、空速计、 气压高度计、CAN总线接口；所述飞控处理器通过数传模块与地面测控系统进行通信；所述飞控处理器给余度传感器模块发送同步信号，接收余度传感器模块的同步应答信号，采集飞控模块中的各传感器测量的数据信息并对其进行健康状态诊断，同时将诊断结果发送给余度传感器模块，对飞控模块中的各传感器测量的数据信息进行导航和控制解算并将解算出的控制信号发送给扩展接口模块，接收余度传感器模块发送的对应的余度传感器测量的数据信息并对其进行导航和控制解算，同时将解算出的控制信号发送给扩展接口模块，控制飞控计算机系统进入传感器故障下的应急控制模式；
与供电模块相连的余度传感器模块，所述余度传感器模块包括：余度数据处理器和与余度数据处理器相连的陀螺传感器、加速度计、磁力计、GPS模块、空速计、气压高度计、CAN总线接口；所述余度传感器模块中的CAN总线接口与飞控模块中的CAN总线接口相连；所述飞控处理器与余度数据处理器之间通过飞控模块中的CAN总线接口和余度传感器模块中的CAN总线接口进行通信；所述余度数据处理器接收飞控处理器的同步信号和将同步应答信号反馈给飞控处理器，接收飞控处理器发送的传感器健康状态诊断信息，对余度传感器模块中对应的余度传感器测量的数据信息进行健康状态诊断，将对应的余度传感器测量的数据信息发送给飞控处理器，将对应的余度传感器故障信息发送给飞控处理器；
与供电模块相连的扩展接口模块，所述扩展接口模块包括：接口控制器和与接口控制器相连的CAN总线接口；所述CAN总线接口与飞控模块中的CAN总线接口相连；所述接口控制器通过CAN总线接口和飞控模块中的CAN总线接口与飞控处理器进行通信；所述接口控制器接收飞控处理器发送的控制信号并将其转换为控制执行机构模块动作的PWM信号，将PWM信号发送给执行机构模块。
进一步的，所述供电模块包括处理单元供电模块和执行机构供电模块；所述处理单元供电模块分别与飞控模块、扩展接口模块和余度传感器模块相连，用于给飞控模块、余度传感器模块和扩展接口模块供电；所述执行机构供电模块与执行机构模块相连，用于给执行机构模块供电。
进一步的，所述处理单元供电模块采用12V锂电池。
进一步的，所述执行机构供电模块采用7.4V锂电池。
进一步的，所述执行机构模块包括：副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机，所述副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机均与扩展接口模块中的接口控制器相连，所述副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机接收接口控制器发送的PWM信号。
进一步的，所述副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机均采用高压数字舵机，分别控制无人机的副翼舵面、方向舵面、升降舵面和油门舵面的偏转。
进一步的，所述扩展接口模块还包括与接口控制器相连的遥控器接收机接口、AD总线接口、SPI总线接口和UART接口，所述遥控器接收机接口、AD总线接口、SPI总线接口和UART接口为扩展接口模块中的扩展器件，所述遥控器接收机接口用于实现接口控制器与地面遥控器之间的通信。
进一步的，所述飞控处理器和余度数据处理器均采用STM32芯片。
本发明的有益效果是：
本发明针对飞控系统中最易出现故障的低成本传感器进行双余度设计，形成主、备两套传感器系统，主飞控处理器实时检测主传感器系统的状态，并通报给余度数据处理器，当主传感器失效后切换使用余度传感器。
飞控处理器在每个执行周期开始时，与余度数据处理器进行同步，同步后两个处理器都进行传感器数据的采集，飞控处理器进行导航、控制解算之前对传感器数据进行健康诊断，将传感器诊断信息告知余度数据处理器，若传感器状态正常，飞控处理器进行正常控制率解算，否则会利用余度控制器发送的传感器信息进行解算。若两个模块上同一型号传感器同时失效，则采用传感器故障下的应急处置方法。
本发明通过简单的传感器冗余配置，结合软件算法设计提高了无人机飞行的可靠性。
本发明减轻了处理器外围接口电路设计的压力，同时通过主、备传感器系统间交互简单的握手信息即可进行冗余配置，具有简单、高效的优点。
本发明实施简单、成本低，具有较好的通用性，能够有效提高了无人机飞 行的可靠性，能够确保无人机在某个传感器失效的情况下继续安全地飞行，特别适用于小型民用无人机。
附图说明
图1为本发明的适用于小型民用无人机的传感器双余度飞控计算机系统的组成结构框图。
图2为本发明中的飞控处理器在每个工作周期的工作流程示意图。
图3为本发明中的余度数据处理器在每个工作周期的工作流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的适用于小型民用无人机的传感器双余度飞控计算机系统，包括飞控模块、余度传感器模块、扩展接口模块、执行机构模块和供电模块。
飞控模块以飞控处理器为核心，通过飞控处理器的外围接口集成了各种用于无人机飞行控制的传感器。飞控模块包括：飞控处理器、数传模块、陀螺传感器、加速度计、磁力计、GPS模块、空速计、气压高度计和CAN总线接口。飞控处理器、数传模块、陀螺传感器、加速度计、磁力计、GPS模块、空速计、气压高度计和CAN总线接口集成在一块电路板上。数传模块、陀螺传感器、加速度计、磁力计、GPS模块、空速计、气压高度计、CAN总线接口均与飞控处理器相连。
飞控模块中的陀螺传感器用于测量无人机角速度信息，加速度计用于测量无人机加速度信息，磁力计用于测量无人机磁场矢量信息，GPS模块用于测量无人机位置信息，空速计用于测量无人机速度信息，气压高度计用于测量无人机气压高度信息，CAN总线接口用于实现飞控处理器与余度传感器模块中的余度数据处理器之间的通信以及飞控处理器与扩展接口模块中的接口控制器之间的通信，数传模块用于实现飞控处理器与地面测控系统之间的通信，用于将无人机导航、控制以及姿态信息(角速度、加速度、磁场矢量、位置、速度、气压高度信息等)下传给地面测控系统，并将地面测控系统的操作指令上传给飞控处理器。
飞控处理器用于给余度传感器模块中的余度数据处理器发送同步信号，飞控处理器用于接收余度数据处理器的同步应答信号；飞控处理器用于采集飞控模块中的各传感器测量的数据信息并对其进行健康状态诊断，同时将诊断结果发送给余度传感器模块中的余度数据处理器；飞控处理器用于对飞控模块中的各传感器测量的数据信息进行导航和控制解算并将解算出的控制信号发送给扩展接口模块中的接口控制器；飞控处理器用于接收余度传感器模块中的余度数据处理器发送的对应的余度传感器测量的数据信息并对其进行导航和控制解算，同时将解算出的控制信号发送给扩展接口模块中的接口控制器；飞控处理器用于控制飞控计算机系统进入传感器故障下的应急控制模式。
余度传感器模块以余度数据处理器为核心，集成了与飞控模块中相同的用于无人机飞行控制的传感器。余度传感器模块包括：余度数据处理器、陀螺传感器、加速度计、磁力计、GPS模块、空速计、气压高度计和CAN总线接口。余度数据处理器、陀螺传感器、加速度计、磁力计、GPS模块、空速计、气压高度计和CAN总线接口集成在一块电路板上。陀螺传感器、加速度计、磁力计、GPS模块、空速计、气压高度计、CAN总线接口均与余度数据处理器相连。
余度传感器模块中的陀螺传感器用于测量无人机角速度信息，加速度计用于测量无人机加速度信息，磁力计用于测量无人机磁场矢量信息，GPS模块用于测量无人机位置信息，空速计用于测量无人机速度信息，气压高度计用于测量无人机气压高度信息，CAN总线接口用于实现余度数据处理器与飞控模块中的飞控处理器之间的通信。
余度数据处理器用于接收飞控处理器的同步信号和将同步应答信号反馈给飞控处理器；余度数据处理器用于接收飞控处理器发送的传感器健康状态诊断信息；余度数据处理器用于对余度传感器模块中对应的余度传感器测量的数据信息进行健康状态诊断；余度数据处理器用于将对应的余度传感器测量的数据信息发送给飞控处理器；余度数据处理器用于将对应的余度传感器故障信息发送给飞控处理器。
扩展接口模块包括：接口控制器、遥控器接收机接口、AD总线接口、SPI总线接口、CAN总线接口和UART接口。接口控制器、遥控器接收机接口、AD 总线接口、SPI总线接口、CAN总线接口和UART接口集成在一块电路板上。遥控器接收机接口、AD总线接口、SPI总线接口、CAN总线接口和UART接口均与接口控制器相连，CAN总线接口与飞控模块中的CAN总线接口相连。接口控制器通过遥控器接收机接口与地面遥控器进行通信，接口控制器通过CAN总线接口以及飞控模块中的CAN总线接口与飞控处理器进行通信，遥控器接收机接口、AD总线接口、SPI总线接口和UART接口为扩展接口模块中的扩展器件，作为扩展应用。
扩展接口模块以接口控制器为核心，接口控制器用于接收飞控处理器发送的控制信号并将其转换为控制执行机构模块动作的PWM信号(用于控制无人机的副翼舵面、方向舵面、升降舵面和油门舵面的偏转)；接口控制器用于将PWM信号发送给执行机构模块中的副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机；接口控制器用于对扩展接口模块中的扩展接口(遥控器接收机接口、AD总线接口、SPI总线接口和UART接口)进行管理，将通过扩展接口接收到的有效信息(有效信息指的是测量的发动机转速、舵机的反馈信息等)反馈给飞控处理器。
执行机构模块包括：副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机，副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机相互独立，副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机均与扩展接口模块中的接口控制器相连，副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机接收接口控制器发送的PWM信号，PWM信号用于驱动副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机。
在本实施方式中，副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机均采用高压数字舵机，分别控制无人机的副翼舵面、方向舵面、升降舵面和油门舵面的偏转。
供电模块包括：处理单元供电模块和执行机构供电模块，处理单元供电模块和执行机构供电模块集成在一块电路板上。处理单元供电模块分别与飞控模块、扩展接口模块和余度传感器模块相连，处理单元供电模块采用12V锂电池，用于给飞控模块、余度传感器模块和扩展接口模块供电；执行机构供电模块分 别与执行机构模块中的副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机相连，执行机构供电模块采用7.4V锂电池，用于给副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机供电。将本发明的飞控计算机系统安装至无人机设备舱后，通过供电模块向飞控模块、余度传感器模块、扩展接口模块、执行机构模块供电，飞控模块、余度传感器模块和扩展接口模块采用12V供电，执行机构模块采用7.4V供电。
在本实施方式中，飞控处理器和余度数据处理器均采用STM32芯片。
如图2所示，飞控处理器在每个工作周期的工作流程：上电以后，飞控处理器通过CAN总线接口发出同步信号通过余度传感器模块中的CAN总线接口传输给余度数据处理器，同时飞控处理器接收余度数据处理器的同步应答信号，当接收到余度数据处理器的同步应答信号后，认为余度传感器模块已经准备好采集余度传感器测量的数据信息；若飞控处理器没有接收到余度数据处理器的同步应答信号，则等待20ms，若在20ms内接收到同步应答信号，则飞控处理器开始采集飞控模块中的各传感器测量的数据信息，若超过20ms还未接收到同步应答信号，则飞控处理器重新接收余度数据处理器的同步应答信号，再采集飞控模块中的各传感器测量的数据信息。
飞控处理器开始采集飞控模块中的各传感器测量的数据信息，第一次接收到的各传感器测量的数据信息需要进行初始状态检测，以判断其是否可用。
若非第一次接收到各传感器测量的数据信息，或者在第一次接收到各传感器测量的数据信息进行初始状态检测后判断其可用的情况下，则飞控处理器对各传感器测量的数据信息进行健康状态诊断，判断飞控模块中的各传感器是否失效，若诊断结果正常即所有传感器都未失效，则飞控处理器通过CAN总线接口将“所有传感器正常”信息发送给余度传感器模块中的余度数据处理器，若诊断结果不正常即有个别传感器失效(陀螺传感器、加速度计、磁力计、GPS模块、空速计、气压高度计中的一个失效或多个同时失效)，则飞控处理器通过CAN总线接口将某个传感器失效或者某几个传感器失效信息发送给余度传感器模块中的余度数据处理器。
当飞控模块中的各传感器都正常时，飞控处理器利用各传感器测量的数据信息进行导航和控制解算，并将解算出的控制信号通过CAN总线接口以及扩展 接口模块中的CAN总线接口发送给扩展接口模块中的接口控制器；当飞控模块中的某个或者某几个传感器失效时，飞控处理器通过CAN总线接口接收余度传感器模块中的余度数据处理器发送的对应的余度传感器测量的数据信息(例如：飞控模块中的陀螺传感器失效时，则飞控处理器接收余度传感器模块中的陀螺传感器测量的数据信息，用此数据信息替代飞控模块中失效的陀螺传感器测量的数据信息)，飞控处理器利用该余度传感器测量的数据信息进行导航和控制解算，最后将解算出的控制信号通过CAN总线接口以及扩展接口模块中的CAN总线接口发送给接口控制器。
接口控制器接收飞控处理器发送的控制信号，同时将飞控处理器发送的控制信号转换为控制执行机构模块动作的PWM信号，接口控制器将PWM信号发送给执行机构模块中的副翼舵机、方向舵机、升降舵机和油门舵机，控制无人机的副翼舵面、方向舵面、升降舵面和油门舵面的偏转。
如图3所示，余度数据处理器在每个工作周期的工作流程：余度数据处理器在每个工作周期的开始，等待接收飞控处理器的同步信号，接收到同步信号后，开始采集各余度传感器测量的数据信息，同时将同步应答信号通过CAN总线接口反馈给飞控处理器。
余度数据处理器等待接收飞控处理器发送的传感器健康状态诊断信息，当接收到飞控模块中的某个传感器失效或者某几个传感器失效信息后，余度数据处理器对余度传感器模块中对应的余度传感器测量的数据信息也进行健康状态诊断，若诊断结果正常即对应的余度传感器未失效，则将该对应的余度传感器测量的数据信息通过CAN总线接口发送给飞控处理器，若诊断结果不正常即对应的余度传感器失效，则将该对应的余度传感器故障信息通过CAN总线接口发送给飞控处理器。
当飞控模块和余度传感器模块中的相同功能的同型号的传感器同时失效时(例如：飞控模块中的陀螺传感器与余度传感器模块中的陀螺传感器同时失效)，则认为飞控计算机系统的该型号传感器故障，飞控模块将进入传感器故障下的应急控制模式。如图1所示，在应急控制模式下，通过软件算法设计提取出与故障传感器输出等效的信息，例如，当气压高度计发生故障时，利用GPS 高度信息进行替代，当空速计发生故障时，利用地速信息进行替代；当无法提取出与故障传感器输出等效的信息时，为了保证无人机飞行不发生危险，将提前采取关发动机、开降落伞的策略。
飞控模块和余度传感器模块为飞控计算机系统的主、备两套传感器子系统，是整个飞控计算机系统的核心部件。