基于仲裁機制的相似雙余度飛控計算機及冗余控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于仲裁機制的相似雙余度飛控計算機及冗余控制方法，屬于無人機飛行控制的【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明通過引入獨立的單片機仲裁單元，利用仲裁算法實現(xiàn)對飛控計算機內(nèi)核的性能監(jiān)控和故障檢測，并進行余度管理，減小了余度飛控計算機的成本、體積、重量，相對獨立的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)避免了故障時的相互干擾，能夠有效抑制系統(tǒng)的單點故障，提高了飛控計算機的整體可靠性。
【專利說明】基于仲裁機制的相似雙余度飛控計算機及冗余控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了基于仲裁機制的相似雙余度飛控計算機及冗余控制方法，屬于無人機飛行控制的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機整體性能得到了大幅提升，用途日益廣泛。與此同時，任務時間的大幅延長和功能的日益復雜使得飛控系統(tǒng)故障率也隨之提高。無人機(UAV, Unmanned Aerial Vehicles)飛控系統(tǒng)是無人機平臺的關(guān)鍵分系統(tǒng)之一,其核心單元是飛控計算機，它是無人機的“指揮控制中心”，其主要功能為采集、輸入無人機各種飛行參數(shù)信息、進行控制律解算，并按照設(shè)定的控制邏輯產(chǎn)生相應的指令，繼而完成對無人機的飛行控制功能，實現(xiàn)對機載任務設(shè)備的調(diào)度與管理，保證無人機任務及時、可靠的完成。
[0003]飛控計算機硬件部分以電子元件為主，目前中、大規(guī)模的集成電路得到了廣泛應用。但是受當前元器件的制造工藝水平限制，基本元器件的可靠性無法滿足飛控計算機對可靠性的要求。在這種狀況下，余度技術(shù)應運而生。余度技術(shù)是從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面提高飛控計算機的可靠性，其實質(zhì)是利用多余的硬件資源來換取整個系統(tǒng)任務可靠性的提高。
[0004]經(jīng)過長期的實踐探索，人們對于飛控計算機的余度形式提出了很多解決方案?；诒頉Q機制的多余度結(jié)構(gòu)和主從機制的雙余度結(jié)構(gòu)為目前提高可靠性的主要方法。多余度形式一般需要至少三臺飛控計算機同時工作，判斷結(jié)果采用少數(shù)服從多數(shù)的機制，其應用最廣泛。該方法優(yōu)點是故障檢測精度高，對系統(tǒng)模型無具體要求。但這種結(jié)構(gòu)形式也帶來了體積大、重量重、能耗和成本高等一系列無法避免的問題，且從硬件結(jié)構(gòu)上來說至少需要三臺飛控計算機同時工作，對軟件設(shè)計、時序匹配有極高的要求。
[0005]事實上，隨著飛控計算機性能及單機可靠性的不斷提高，雙余度結(jié)構(gòu)在未來的無人機小型化設(shè)計中將會占有越來越大的比重。雙余度設(shè)計較好的解決了多余度體積大、結(jié)構(gòu)復雜的問題，但由于現(xiàn)有雙余度技術(shù)多是基于主從機制，導致了系統(tǒng)故障覆蓋率較低、控制權(quán)限分配不明確，仲裁缺乏合理、公正性。因此設(shè)計一種故障覆蓋率較高、能夠?qū)崿F(xiàn)真正并行機制的無人機雙余度飛控計算機，對提高飛控系統(tǒng)可靠性和無人機小型化設(shè)計開發(fā)具有較大的工程應用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述【背景技術(shù)】的不足，提供了基于單片機仲裁機制的相似雙余度飛控計算機及冗余控制方法。
[0007]本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案:
[0008]基于仲裁機制的相似雙余度飛控計算機，包括第一、第二內(nèi)核，通信電路、單片機仲裁單元、高速切換開關(guān)電路，其中:
[0009]所述第一、第二內(nèi)核分別采集無人機狀態(tài)信息并解算控制律得到飛行控制信號；
[0010]所述通信電路在第一、第二內(nèi)核完成自檢后將表征飛機可靠性的參數(shù)傳輸給單片機仲裁單元；
[0011]所述單片機仲裁單元通過檢測表征內(nèi)核可靠性的狀態(tài)量、比較兩個內(nèi)核輸出的飛行控制信號與其預估值的差異性大小發(fā)現(xiàn)故障內(nèi)核，實施余度管理；
[0012]所述高速切換開關(guān)電路在單片機仲裁單元的余度管理下，輸出無故障內(nèi)核的飛行控制信號，繼而控制執(zhí)行機構(gòu)動作。
[0013]進一步的，作為所述相似雙余度飛控計算機的進一步優(yōu)化方案，所述單片機仲裁單元選用TI公司的MSC1212芯片。
[0014]進一步的，作為所述相似雙余度飛控計算機的進一步優(yōu)化方案，所述高速切換開關(guān)選用AD公司的ADG1634芯片。
[0015]冗余控制方法，通過所述相似雙余度飛控計算機實現(xiàn)，單片機仲裁單元在兩個內(nèi)核自檢正常時，通過數(shù)據(jù)仲裁算法實現(xiàn)對飛控計算機內(nèi)核數(shù)據(jù)的實時故障檢測，并進行余度管理，具體包括如下步驟:
[0016]步驟1，每個內(nèi)核采集并解算連續(xù)周期內(nèi)的無人機狀態(tài)信息后發(fā)送給單片機仲裁單元，單片機仲裁單元將狀態(tài)信息曲線局部線性化，并利用最小二乘法對狀態(tài)曲線進行分段最佳逼近，再由前k個連續(xù)采樣周期采集的無人機狀態(tài)變量實際值得到第k+Ι采樣時刻的預估值，為方便計算并保持一定的擬合精度，k取值為大于2且小于10的整數(shù)；
[0017]步驟2，在兩個內(nèi)核采集或解算的無人機狀態(tài)量差值大于門限值時，分別比較各內(nèi)核的數(shù)據(jù)以及對下一控制周期的預估值，仲裁單元判定本周期數(shù)據(jù)與下一周期預估值差異性較大的內(nèi)核為故障內(nèi)核；
[0018]步驟3，單片機仲裁單元發(fā)送切換指令至兩個內(nèi)核，并控制高速切換開關(guān)實施輸出切換，備用內(nèi)核替代故障內(nèi)核繼續(xù)輸出飛行控制信號。
[0019]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果:減小了余度飛控計算機的成本、體積、重量；引入獨立的仲裁單元，系統(tǒng)內(nèi)部耦合性低，避免了故障時的相互干擾，能夠有效抑制系統(tǒng)的單點故障；提高了飛控計算機的整體可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是系統(tǒng)仲裁的軟件流程圖。
[0021]圖2是仲裁算法的軟件流程圖。
[0022]圖3是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖。
[0023]圖4是本發(fā)明的電路原理框圖。
[0024]圖5是真值曲線與預估值曲線的比較圖。
[0025]圖中標號說明:1、第一內(nèi)核，2、第二內(nèi)核，3、單片機仲裁單元，4、通信電路，5、高速切換開關(guān)電路。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明:
[0027]基于仲裁機制的相似雙余度飛控計算機如圖3、4所示:硬件主要包括飛控計算機內(nèi)核1、2，單片機仲裁單元3，通信電路4，高速切換開關(guān)電路5 (由ADG1634高速模擬開關(guān)K1、K2、K3、K4、K5、K6 組成)。[0028]內(nèi)核由MPC565核心處理器、串口芯片、A/D、D/A和存儲器等擴展資源組成。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，僅對飛控計算機內(nèi)核進行冗余，由兩個硬件結(jié)構(gòu)完全相同的內(nèi)核通道組成并行雙機熱備份系統(tǒng)。
[0029]單片機仲裁單元選用TI公司的MSC1212，用于輸出切換電路的高速模擬開關(guān)選用AD公司的ADG1634，就處理性能和可靠性而言，這兩款芯片均是較理想的選擇。單片機仲裁單元3至少需12路I/O通道和兩個串行接口，分別與第一、第二內(nèi)核1、2進行通信。
[0030]系統(tǒng)運行后，第一內(nèi)核I和第二內(nèi)核2實時采集無人機狀態(tài)信息，并解算控制律輸出；經(jīng)自檢后，將表征飛控計算機內(nèi)核可靠性的參數(shù)經(jīng)模塊間通信電路4傳輸給單片機仲裁單元3，單片機仲裁單元3運用仲裁算法對參數(shù)進行判斷，明確此刻負責輸出的飛控計算機內(nèi)核是否處于可靠控制階段。若當前飛控計算機內(nèi)核故障，且另一內(nèi)核工作正常，則輸出切換信號，這些控制信號使高速切換開關(guān)電路5的輸出由A切換為B，系統(tǒng)最終負責輸出的內(nèi)核通道由飛控計算機第一內(nèi)核I變?yōu)榈诙?nèi)核2。
[0031]冗余控制方法如圖1、圖2所示，單片機仲裁單元通過仲裁算法實現(xiàn)對飛控計算機內(nèi)核的性能監(jiān)控和故障檢測，并進行余度管理，具體包括如下步驟:
[0032]步驟1，每個內(nèi)核采集并解算連續(xù)周期內(nèi)的無人機狀態(tài)信息后發(fā)送給單片機仲裁單元，單片機仲裁單元將狀態(tài)信息曲線局部線性化，并利用最小二乘法對狀態(tài)曲線進行分段最佳逼近，再由前k個連續(xù)采樣周期采集的無人機狀態(tài)變量實際值得到第k+Ι采樣時刻的預估值，為方便計算并保持一定的擬合精度，k取值為大于2且小于10的整數(shù)；
[0033]最小二乘法的原理是以線性二次型曲線對目標曲線進行分段最佳逼近，使曲線上各點的真實值與估計值均方誤差最小，
【權(quán)利要求】
1.基于仲裁機制的相似雙余度飛控計算機，包括第一、第二內(nèi)核，其特征在于:所述相似雙余度飛控計算機還包括:通信電路、單片機仲裁單元、高速切換開關(guān)電路，其中: 所述第一、第二內(nèi)核分別采集無人機狀態(tài)信息并解算控制律得到飛行控制信號； 所述通信電路在第一、第二內(nèi)核完成自檢后將表征飛機可靠性的參數(shù)傳輸給單片機仲裁單元； 所述單片機仲裁單元通過檢測表征內(nèi)核可靠性的狀態(tài)量、比較兩個內(nèi)核輸出的飛行控制信號與其預估值的差異性大小發(fā)現(xiàn)故障內(nèi)核，實施余度管理； 所述高速切換開關(guān)電路在單片機仲裁單元的余度管理下，輸出無故障內(nèi)核的飛行控制信號，繼而控制執(zhí)行機構(gòu)動作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相似雙余度飛控計算機，其特征在于:所述單片機仲裁單元選用TI公司的MSC1212芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的相似雙余度飛控計算機，其特征在于:所述高速切換開關(guān)選用AD公司的ADG1634芯片。
4.冗余控制方法，利用權(quán)利要求1或2或3所述的相似雙余度飛控計算機實現(xiàn)，其特征在于:單片機仲裁單元在兩個內(nèi)核自檢正常時，通過數(shù)據(jù)仲裁算法實現(xiàn)對飛控計算機內(nèi)核數(shù)據(jù)的實時故障檢測，并進行余度管理，具體包括如下步驟: 步驟I，每個內(nèi)核采集并解算連續(xù)周期內(nèi)的無人機狀態(tài)信息后發(fā)送給單片機仲裁單元，單片機仲裁單元將狀態(tài)信息曲線局部線性化，并利用最小二乘法對狀態(tài)曲線進行分段最佳逼近，再由前k個連續(xù)采樣周期采集的無人機狀態(tài)變量實際值得到第k+Ι采樣時刻的預估值，為方便計算并保持一定的擬合精度，k值取為大于2且小于10的整數(shù)； 步驟2，在兩個內(nèi)核采集或解算的無人機狀態(tài)量差值大于門限值時，分別比較各內(nèi)核的數(shù)據(jù)以及對下一控制周期的預估值，仲裁單元判定本周期數(shù)據(jù)與下一周期預估值差異性較大的內(nèi)核為故障內(nèi)核； 步驟3，單片機仲裁單元發(fā)送切換指令至兩個內(nèi)核，并控制高速切換開關(guān)實施輸出切換，備用內(nèi)核替代故障內(nèi)核繼續(xù)輸出飛行控制信號。
【文檔編號】G05B9/03GK103823362SQ201410052573
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月17日
【發(fā)明者】李志宇, 居曉, 高艷輝 申請人:南京航空航天大學