一種多傳感器冗余備份的無人機飛行控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種多傳感器冗余備份的無人機飛行控制系統(tǒng)，可用于多旋翼、直升機、固定翼無人機。該系統(tǒng)由主控單元、協(xié)處理器單元、傳感器冗余單元、數(shù)據(jù)交換單元、數(shù)據(jù)記錄單元與供電單元構(gòu)成。其中傳感器冗余單元由多組陀螺儀、加速度計、磁力計、氣壓計與衛(wèi)星定位系統(tǒng)構(gòu)成，應(yīng)用傳感器融合技術(shù)，可以實現(xiàn)在任意單個傳感器故障時將其識別并隔離，從而不對飛行控制系統(tǒng)的正常工作造成影響。本發(fā)明通過應(yīng)用傳感器融合技術(shù)，在飛控重量與成本的增加相對整體可以忽略不計的前提下，極大的提高了飛行控制系統(tǒng)的可靠性。
【專利說明】
一種多傳感器冗余備份的無人機飛行控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及無人飛行器控制領(lǐng)域，特別涉及一種多傳感器冗余備份的無人機飛行控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]無人機飛行控制系統(tǒng)通過采集傳感器的信息進行組合導(dǎo)航姿態(tài)解算來獲得飛機的姿態(tài)、高度、速度及位置信息，從而控制飛機實現(xiàn)手動增穩(wěn)或者自動飛行。其中傳感器包括三軸的陀螺儀、三軸的加速度計、三軸的磁力計、氣壓計以及衛(wèi)星定位系統(tǒng)。三軸的陀螺儀用于測量飛機機體三軸方向的角速度信息;三軸的加速度計用于測量飛機機體三軸方向的加速度信息；三軸的磁力計用于測量飛機機體三軸方向的磁通量信息；氣壓計用于測量氣壓信息，將其轉(zhuǎn)化為海拔高度信息;衛(wèi)星定位系統(tǒng)用于測量飛機的位置信息、速度信息。以上傳感器相當(dāng)于飛機對外界的感知系統(tǒng)，傳感器原始數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠是飛機能夠正常飛行的前提。
[0003]但目前的用于小型無人機的傳感器存在以下問題:
[0004]高可靠性的傳感器如機械陀螺、光纖陀螺等重量大、體積大，同時價格十分昂貴，限制了其在小型無人機上的使用。
[0005]可用在小型無人機上的多為MEMS傳感器，其體積小、重量輕、成本低，但是可靠性差。當(dāng)飛機在天空中有單一傳感器發(fā)生故障后，將對飛機正常飛行造成致命影響，輕則結(jié)束任務(wù)立即迫降，重則造成摔機慘劇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服目前飛控系統(tǒng)受限于傳感器單元不可靠所造成的問題，本發(fā)明提出了一種多傳感器冗余備份的無人機飛行控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)有限增加飛控系統(tǒng)重量及成本的前提下，通過引入多傳感器冗余技術(shù)，大幅度降低飛機的故障率。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0008]—種多傳感器冗余備份的無人機飛行控制系統(tǒng)，所述無人機飛行控制系統(tǒng)包括:用于對飛機進行控制的主控單元；用于擴展主控單元接口的協(xié)處理器單元；用于采集飛機數(shù)據(jù)的冗余傳感器單元，包括兩個或以上的加速度計、兩個或以上陀螺儀、兩個或以上磁力計、一個或以上高度計以及一個或以上衛(wèi)星定位;冗余傳感器單元通過相同類型傳感器的冗余備份及不同傳感器的數(shù)據(jù)融合來識別出單一傳感器的故障并將其隔離，從而提高系統(tǒng)的可靠性;用于為整個系統(tǒng)供電的電源單元;用于接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換單元；以及用于記錄飛行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)記錄單元。
[0009]作為優(yōu)選，所述主控單元用于控制飛機與任務(wù)設(shè)備；主控單元從傳感器單元獲得傳感器原始數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)交換單元獲得地面站對飛機的控制信號，從協(xié)處理器單元獲得遙控控制信號；主控制單元根據(jù)冗余傳感器單元的原始數(shù)據(jù)進行導(dǎo)航解算，計算出飛機的姿態(tài)、高度、速度、位置信息;綜合導(dǎo)航解算的結(jié)果、地面站控制信號及遙控控制信號進行控制率解算，將解算的結(jié)果發(fā)給協(xié)處理器單元；同時從數(shù)據(jù)交換單元獲得地面站對任務(wù)設(shè)備的控制信號，控制任務(wù)設(shè)備，并將飛機的飛行信息發(fā)送給數(shù)據(jù)交換單元與數(shù)據(jù)記錄單元；
[0010]所述協(xié)處理器單元用于擴展主控單元的接口；協(xié)處理器單元采集遙控接收機的控制信號，將其傳送給主控制單元;協(xié)處理單元接收主控制單元發(fā)來的對各電機的控制信號，將其輸出給連接電機的各個電子調(diào)速器；
[0011]所述冗余傳感器單元用于采集飛機的姿態(tài)、高度、速度、位置信息；
[0012]所述電源單元用于為整個系統(tǒng)供電；所述整個系統(tǒng)包括主控單元、協(xié)處理器單元、傳感器單元、數(shù)據(jù)交換單元、數(shù)據(jù)記錄單元;電源單元由保護模塊與變壓模塊構(gòu)成；
[0013]所述的數(shù)據(jù)交換單元用于與地面站傳輸數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)交換單元接收主控單元的飛行信息，將其發(fā)送到地面站，同時接收地面站對飛機的控制信息，將其傳送給主控單元；
[0014]所述的數(shù)據(jù)記錄單元用于記錄飛機的飛行數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)記錄單元接收主控發(fā)來的飛行數(shù)據(jù)信息，將其寫入存儲芯片中。
[0015]進一步的，所述的冗余傳感器單元，通過比較相同類型的傳感器數(shù)據(jù)，對傳感器狀態(tài)進行初判，當(dāng)數(shù)據(jù)誤差小于等于10%時則認為傳感器都工作正常，若數(shù)據(jù)誤差大于10%，則通過不同傳感器的互補融合來對其進行判別；若每種傳感器個數(shù)在三個或以上，通過少數(shù)服從多數(shù)原則直接判斷出傳感器故障;若每種傳感器有兩個，則判斷方法如下:若加速度計值相差大于10%，通過對其值二次積分后與衛(wèi)星定位位置信息比較判斷出哪個加速度計故障;若磁力計值相差大于10%，通過對陀螺儀積分判斷出哪個磁力計故障;若陀螺儀值相差大于10%，通過對其積分后的值與相應(yīng)軸上磁力計或加速度計的值比較判斷出哪個陀螺儀故障。
[0016]作為優(yōu)選，主控單元通過串口、IIC、SP1、CAN中任意一種或多種通訊單元從冗余傳感器單元采集傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)應(yīng)用姿態(tài)融合算法來進行導(dǎo)航解算，計算出飛機的導(dǎo)航信息，所述導(dǎo)航信息包括姿態(tài)、高度、速度、位置信息;根據(jù)上述的導(dǎo)航信息、協(xié)處理單元發(fā)來的控制信號、數(shù)據(jù)交換單元發(fā)來的地面站信息來進行控制率解算，計算出分配給各個電機的控制信號，將控制信號發(fā)送給協(xié)處理器單元，由協(xié)處理單元輸出給控制電機的電子調(diào)速器;主控單元還從數(shù)據(jù)交換單元接收地面對任務(wù)設(shè)備的控制信號，對任務(wù)設(shè)備做出響應(yīng);主控單元將飛機的飛行數(shù)據(jù)分別發(fā)送給數(shù)據(jù)交換單元與數(shù)據(jù)記錄單元，發(fā)送給數(shù)據(jù)交換單元的數(shù)據(jù)將發(fā)送給地面站顯示，發(fā)送給數(shù)據(jù)記錄單元的數(shù)據(jù)將寫入數(shù)據(jù)記錄單元的記錄設(shè)備中。
[0017]作為優(yōu)選，所述的電源單元，用于首選判斷輸入電壓極性是否正確、輸入電壓范圍是否正確，若輸入電壓極性及范圍都正確，則將其輸入給變壓模塊，變壓模塊將其轉(zhuǎn)化為主控單元、協(xié)處理器單元、冗余傳感器單元、數(shù)據(jù)交換單元、數(shù)據(jù)記錄單元各自所需的電壓，為其供電。
[0018]進一步的，所述的主控單元由ARM、DSP、單片機中任意一種運算單元實現(xiàn);所述的遙控接收機的控制信號是普通多路PWM或Futaba的S.Bus ;所述的數(shù)據(jù)交換單元由數(shù)傳電臺、藍牙電臺、WIFI模塊中任意一種實現(xiàn);所述的衛(wèi)星定位是GPS、北斗、GLONASS、Galileo中的一種或幾種的組合。
[0019]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:相比于傳統(tǒng)的無人機飛行控制系統(tǒng)，本發(fā)明通過引入傳感器冗余技術(shù)，在不大幅度提高飛控重量及成本的前提下，大幅度的提高了飛控系統(tǒng)的可靠性，可以實現(xiàn)在單故障時繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，雙傳感器故障時安全降落。
【附圖說明】
[0020]圖1是一種多傳感器冗余備份的無人機飛行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步闡述和說明。本發(fā)明中各個實施方式的技術(shù)特征在沒有相互沖突的前提下，均可進行相應(yīng)組合。
[0022]本發(fā)明的多傳感器冗余備份的無人機飛行控制系統(tǒng)可用于多旋翼、直升機、固定翼無人機。該系統(tǒng)由主控單元、協(xié)處理器單元、傳感器冗余單元、數(shù)據(jù)交換單元、數(shù)據(jù)記錄單元與供電單元構(gòu)成。具體如下:
[0023]參照附圖1，一種多傳感器冗余備份的無人機飛行控制系統(tǒng)，所述無人機飛行控制系統(tǒng)包括:用于對飛機進行控制的主控單元；用于擴展主控單元接口的協(xié)處理器單元;用于采集飛機數(shù)據(jù)的冗余傳感器單元，包括兩個或以上的加速度計、兩個或以上陀螺儀、兩個或以上磁力計、一個或以上高度計以及一個或以上衛(wèi)星定位;冗余傳感器單元通過相同類型傳感器的冗余備份及不同傳感器的數(shù)據(jù)融合來識別出單一傳感器的故障并將其隔離，從而提高系統(tǒng)的可靠性；用于為整個系統(tǒng)供電的電源單元；用于接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換單元；以及用于記錄飛行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)記錄單元。
[0024]所述主控單元用于控制飛機與任務(wù)設(shè)備;主控單元從傳感器單元獲得各個傳感器感應(yīng)到的原始數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)交換單元獲得地面站對飛機的控制信號，從協(xié)處理器單元獲得遙控控制信號(即遙控接收機轉(zhuǎn)發(fā)的控制信號)；主控制單元根據(jù)冗余傳感器單元感應(yīng)到的原始數(shù)據(jù)進行導(dǎo)航解算，計算出飛機的姿態(tài)、高度、速度和位置信息;綜合導(dǎo)航解算的結(jié)果、地面站控制信號及遙控接收機發(fā)送的控制信號進行控制率解算，將解算的結(jié)果發(fā)給協(xié)處理器單元；同時從數(shù)據(jù)交換單元獲得地面站對任務(wù)設(shè)備的控制信號，控制任務(wù)設(shè)備，并將飛機的飛行信息發(fā)送給數(shù)據(jù)交換單元與數(shù)據(jù)記錄單元;所述的主控單元由ARM、DSP、單片機中任意一種運算單元實現(xiàn)。
[0025]所述協(xié)處理器單元用于擴展主控單元的接口；協(xié)處理器單元采集遙控接收機的控制信號，將其傳送給主控制單元;協(xié)處理單元接收主控制單元發(fā)來的對各電機的控制信號，將其輸出給飛機上實現(xiàn)安裝的連接電機的各個電子調(diào)速器。所述的遙控接收機的控制信號是普通多路PWM或Futaba的S.Bus。
[0026]所述冗余傳感器單元用于采集飛機的姿態(tài)、高度、速度和位置信息。
[0027]所述電源單元用于為整個系統(tǒng)供電；所述整個系統(tǒng)包括主控單元、協(xié)處理器單元、傳感器單元、數(shù)據(jù)交換單元、數(shù)據(jù)記錄單元;電源單元由保護模塊與變壓模塊構(gòu)成。
[0028]所述的數(shù)據(jù)交換單元用于與地面站傳輸數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)交換單元接收主控單元的飛行信息，將其發(fā)送到地面站，同時接收地面站對飛機的控制信息，將其傳送給主控單元。所述的數(shù)據(jù)交換單元由數(shù)傳電臺、藍牙電臺、WIFI模塊中任意一種實現(xiàn)。
[0029]所述的數(shù)據(jù)記錄單元用于記錄飛機的飛行數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)記錄單元接收主控單元發(fā)來的飛行數(shù)據(jù)信息，將其寫入存儲芯片中。
[0030]所述的冗余傳感器單元，通過比較相同類型的傳感器數(shù)據(jù)，對傳感器狀態(tài)進行初判，當(dāng)數(shù)據(jù)誤差小于等于10 %時則認為傳感器都工作正常，若數(shù)據(jù)誤差大于10 %，則通過不同傳感器的互補融合來對其進行判別是否故障；若每種傳感器個數(shù)在三個或以上，通過少數(shù)服從多數(shù)原則直接判斷出傳感器故障;若每種傳感器有兩個，則判斷方法如下:若加速度計值相差大于10%，通過對其值二次積分后與衛(wèi)星定位位置信息比較判斷出哪個加速度計故障;若磁力計值相差大于10%，通過對陀螺儀積分判斷出哪個磁力計故障;若陀螺儀值相差大于10%，通過對其積分后的值與相應(yīng)軸上磁力計或加速度計的值比較判斷出哪個陀螺儀故障。所述的衛(wèi)星定位是GPS、北斗、GLONASS、Ga I i I eo中的一種或幾種的組合。
[0031 ]主控單元原理為采集傳感器數(shù)據(jù)進行導(dǎo)航解算，結(jié)合控制命令進行控制率解算，最終輸出。主控單元可以通過串口、IIC、SP1、CAN中任意一種或多種通訊單元從冗余傳感器單元采集傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)應(yīng)用姿態(tài)融合算法來進行導(dǎo)航解算，計算出飛機的導(dǎo)航信息，所述導(dǎo)航信息包括姿態(tài)、高度、速度、位置信息;根據(jù)上述的導(dǎo)航信息、協(xié)處理單元發(fā)來的控制信號、數(shù)據(jù)交換單元發(fā)來的地面站信息來進行控制率解算，計算出分配給各個電機的控制信號，將控制信號發(fā)送給協(xié)處理器單元，由協(xié)處理單元輸出給控制電機的電子調(diào)速器;主控單元還從數(shù)據(jù)交換單元接收地面對任務(wù)設(shè)備的控制信號，對任務(wù)設(shè)備做出響應(yīng);主控單元將飛機的飛行數(shù)據(jù)分別發(fā)送給數(shù)據(jù)交換單元與數(shù)據(jù)記錄單元，發(fā)送給數(shù)據(jù)交換單元的數(shù)據(jù)將發(fā)送給地面站顯示，發(fā)送給數(shù)據(jù)記錄單元的數(shù)據(jù)將寫入數(shù)據(jù)記錄單元的記錄設(shè)備SD卡中。
[0032]所述的電源單元，用于首選判斷輸入電壓極性是否正確、輸入電壓范圍是否正確，若輸入電壓極性及范圍都正確，則將其輸入給變壓模塊，變壓模塊將其轉(zhuǎn)化為主控單元、協(xié)處理器單元、冗余傳感器單元、數(shù)據(jù)交換單元、數(shù)據(jù)記錄單元各自所需的電壓，為其供電。
[0033]以上所述的實施例只是本發(fā)明的一種較佳的方案，然其并非用以限制本發(fā)明。有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。因此凡采取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種多傳感器冗余備份的無人機飛行控制系統(tǒng)，其特征在于:所述無人機飛行控制系統(tǒng)包括: 用于對飛機進行控制的主控單元； 用于擴展主控單元接口的協(xié)處理器單元； 用于采集飛機數(shù)據(jù)的冗余傳感器單元，包括兩個或以上的加速度計、兩個或以上陀螺儀、兩個或以上磁力計、一個或以上高度計以及一個或以上衛(wèi)星定位;冗余傳感器單元通過相同類型傳感器的冗余備份及不同傳感器的數(shù)據(jù)融合來識別出單一傳感器的故障并將其隔離，從而提高系統(tǒng)的可靠性； 用于為整個系統(tǒng)供電的電源單元； 用于接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換單元； 以及用于記錄飛行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)記錄單元。2.如權(quán)利要求1所述的多傳感器冗余備份的無人機飛行控制系統(tǒng)，其特征在于:所述主控單元用于控制飛機與任務(wù)設(shè)備;主控單元從傳感器單元獲得傳感器原始數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)交換單元獲得地面站對飛機的控制信號，從協(xié)處理器單元獲得遙控控制信號；主控制單元根據(jù)冗余傳感器單元的原始數(shù)據(jù)進行導(dǎo)航解算，計算出飛機的姿態(tài)、高度、速度、位置信息;綜合導(dǎo)航解算的結(jié)果、地面站控制信號及遙控控制信號進行控制率解算，將解算的結(jié)果發(fā)給協(xié)處理器單元；同時從數(shù)據(jù)交換單元獲得地面站對任務(wù)設(shè)備的控制信號，控制任務(wù)設(shè)備，并將飛機的飛行信息發(fā)送給數(shù)據(jù)交換單元與數(shù)據(jù)記錄單元； 所述協(xié)處理器單元用于擴展主控單元的接口；協(xié)處理器單元采集遙控接收機的控制信號，將其傳送給主控制單元;協(xié)處理單元接收主控制單元發(fā)來的對各電機的控制信號，將其輸出給連接電機的各個電子調(diào)速器； 所述冗余傳感器單元用于采集飛機的姿態(tài)、高度、速度、位置信息； 所述電源單元用于為整個系統(tǒng)供電；所述整個系統(tǒng)包括主控單元、協(xié)處理器單元、傳感器單元、數(shù)據(jù)交換單元、數(shù)據(jù)記錄單元;電源單元由保護模塊與變壓模塊構(gòu)成； 所述的數(shù)據(jù)交換單元用于與地面站傳輸數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)交換單元接收主控單元的飛行信息，將其發(fā)送到地面站，同時接收地面站對飛機的控制信息，將其傳送給主控單元； 所述的數(shù)據(jù)記錄單元用于記錄飛機的飛行數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)記錄單元接收主控發(fā)來的飛行數(shù)據(jù)信息，將其寫入存儲芯片中。3.如權(quán)利要求2所述的多傳感器冗余備份的無人機飛行控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的冗余傳感器單元，通過比較相同類型的傳感器數(shù)據(jù)，對傳感器狀態(tài)進行初判，當(dāng)數(shù)據(jù)誤差小于等于10%時則認為傳感器都工作正常，若數(shù)據(jù)誤差大于10%，則通過不同傳感器的互補融合來對其進行判別；若每種傳感器個數(shù)在三個或以上，通過少數(shù)服從多數(shù)原則直接判斷出傳感器故障;若每種傳感器有兩個，則判斷方法如下:若加速度計值相差大于10%，通過對其值二次積分后與衛(wèi)星定位位置信息比較判斷出哪個加速度計故障;若磁力計值相差大于10%，通過對陀螺儀積分判斷出哪個磁力計故障;若陀螺儀值相差大于10%，通過對其積分后的值與相應(yīng)軸上磁力計或加速度計的值比較判斷出哪個陀螺儀故障。4.如權(quán)利要求1所述的多傳感器冗余備份的無人機飛行控制系統(tǒng)，其特征在于:主控單元通過串口、IIC、SP1、CAN中任意一種或多種通訊單元從冗余傳感器單元采集傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)應(yīng)用姿態(tài)融合算法來進行導(dǎo)航解算，計算出飛機的導(dǎo)航信息，所述導(dǎo)航信息包括姿態(tài)、高度、速度、位置信息；根據(jù)上述的導(dǎo)航信息、協(xié)處理單元發(fā)來的控制信號、數(shù)據(jù)交換單元發(fā)來的地面站信息來進行控制率解算，計算出分配給各個電機的控制信號，將控制信號發(fā)送給協(xié)處理器單元，由協(xié)處理單元輸出給控制電機的電子調(diào)速器;主控單元還從數(shù)據(jù)交換單元接收地面對任務(wù)設(shè)備的控制信號，對任務(wù)設(shè)備做出響應(yīng);主控單元將飛機的飛行數(shù)據(jù)分別發(fā)送給數(shù)據(jù)交換單元與數(shù)據(jù)記錄單元，發(fā)送給數(shù)據(jù)交換單元的數(shù)據(jù)將發(fā)送給地面站顯示，發(fā)送給數(shù)據(jù)記錄單元的數(shù)據(jù)將寫入數(shù)據(jù)記錄單元的記錄設(shè)備中。5.如權(quán)利要求1所述的多傳感器冗余備份的無人機飛行控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的電源單元，用于首選判斷輸入電壓極性是否正確、輸入電壓范圍是否正確，若輸入電壓極性及范圍都正確，則將其輸入給變壓模塊，變壓模塊將其轉(zhuǎn)化為主控單元、協(xié)處理器單元、冗余傳感器單元、數(shù)據(jù)交換單元、數(shù)據(jù)記錄單元各自所需的電壓，為其供電。6.如權(quán)利要求2所述的多傳感器冗余備份的無人機飛行控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的主控單元由ARM、DSP、單片機中任意一種運算單元實現(xiàn);所述的遙控接收機的控制信號是普通多路PffM或Futaba的S.Bus;所述的數(shù)據(jù)交換單元由數(shù)傳電臺、藍牙電臺、WIFI模塊中任意一種實現(xiàn);所述的衛(wèi)星定位是GPS、北斗、GLONASS、Galileo中的一種或幾種的組合。
【文檔編號】G05D1/10GK105867414SQ201610244349
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】白雪琛, 韓波, 方舟, 趙文杰
【申請人】浙江大學(xué)