CN114721250A - 无人机飞控*** - Google Patents

Abstract

本公开提供一种无人机飞控***。包括：飞控计算机，飞控计算机上至少连接有第一控制器局域网络CAN总线、第二CAN总线、第三CAN总线和串行接口；第一CAN总线与第二CAN总线上各连接有一组相同的伺服***和动力***，第一CAN总线与第二CAN总线上的伺服***和动力***互为冗余备份，飞控计算机还通过第三CAN总线与串行接口各连接有一组相同的导航***，第三CAN总线与串行接口连接的导航***互为通过不同通讯方式连接的冗余备份。本公开实现了满足冗余备份设计的同时，保证了通讯可靠性和可扩展性，从而提升了无人机飞控***的可靠性和安全性。

Description

无人机飞控***

技术领域

本公开涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机飞控***。

背景技术

随着无人机技术的发展，中大型无人机在农业、测绘等行业有了越来越多的应用。这类无人机由于体积较大，留空时间较长，通常对飞控***的可靠性和安全性要求较高。为满足飞控***安全性的要求，现有技术通常会在无人机上进行冗余设计。

现有的无人机飞控***为满足冗余设计需求，通常包括多个协处理器，导致飞控计算机硬件设计和软件架构复杂，***可靠性不足。

发明内容

本公开提供了一种无人机飞控***，以提升无人机飞控***的可靠性和可用性。

第一方面，本公开提供了一种无人机飞控***，无人机飞控***包括：

飞控计算机，飞控计算机上至少连接有第一控制器局域网络/CAN总线、第二CAN总线、第三CAN总线和串行接口；

第一CAN总线与第二CAN总线上各连接有一组相同的伺服***和动力***，第一CAN总线与第二CAN总线上的伺服***和动力***互为冗余备份，满足：当第一CAN总线或第二CAN总线上任意一组伺服***和动力***存在设备故障或信号传输故障时，另一组伺服***和动力***能够正常完成飞控计算机发送的飞行任务；

飞控计算机还通过第三CAN总线与串行接口各连接有一组相同的导航***，第三CAN总线与串行接口连接的导航***互为通过不同通讯方式连接的冗余备份。

可选地，飞控计算机通过CAN总线协议与第三CAN总线上的导航***通讯连接，并通过串口通信协议与串行接口上的导航***通讯连接，第三CAN总线与串行接口连接的导航***构成非相似冗余备份。

可选地，伺服***包括无人机副翼上的伺服器、无人机用于调整方向和升降的伺服器和动力伺服器；动力***包括至少两组电机。

可选地，第一CAN总线和第二CAN总线上还各连接有一组尾部伺服器和尾部动力设备。

可选地，无人机上还设置有与飞控计算机通讯连接的网络交换设备。

可选地，第三CAN总线上还设置有任务载荷设备、任务计算机和维护网口；任务载荷设备、任务计算机和维护网口分别与网络交换设备通讯连接，满足：任务载荷设备和维护网口可以分别通过网络交换设备与任务计算机和飞控计算机通讯，也可以通过第三CAN总线与任务计算机和飞控计算机通讯；维护网口用于通过维护自监测功能进行故障诊断和对设备状态进行监测。

可选地，无人机上还设置有与网络交换设备通讯连接的无线链路设备，无线链路设备用于在地面站与任务计算机间传输遥控遥测数据。

可选地，第三CAN总线上还连接有电源***、配电***、燃油***、参数采集***、变压整流***和开舱伺服器。

可选地，飞控计算机上还设置有第四CAN总线；第四CAN总线上还连接有无人机状态监视设备、电子控制器设备、环境采集设备和开舱伺服器。

可选地，导航***包括卫星测量设备、惯性测量设备、大气测量设备、磁罗盘、高度表、前视雷达、视觉导航设备中的至少一种。

本公开提供的无人机飞控***，通过设置两组相同的伺服***和动力***，实现动力和伺服设备的双余度设计，通过两条CAN总线分别与相同的伺服***和动力***连接，实现了动力和伺服信号的双余度设计，从而构成信号和设备的双余度设计，有效保证单一设备故障或者传输信号故障发生时，飞行***能正常工作。通过CAN总线和串行接口分别与相同的导航***连接，由于两个导航***与飞控计算机的通讯方式不同，从而在导航***设备双余度的基础上，通过两种不同通讯方式构成信号的非相似余度设计，进行有效保证了通讯可靠性和可扩展性。通过伺服***、动力***和导航***的不同余度设计相结合，极大提升了无人机***的可靠性。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1为本公开实施例提供的无人机飞控***的一种应用场景图；

图2为本公开一个实施例提供的无人机飞控***的结构示意图；

图3为图2所示实施例中第一CAN总线上的各设备连接关系示意图；

图4为图2所示实施例中导航***的组成结构示意图。

通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

下面以具体地实施例对本公开的技术方案以及本公开的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本公开的实施例进行描述。

现有中大型无人机，如混合动力垂直起降无人机(使用电机进行垂直起降和使用燃油动力的作为巡航能力的无人机)，通常结合了多旋翼和固定翼的特性，在农业、测绘等行业有大量应用。通过使用燃油动力巡航，提高了无人机留空时间，因此对飞控***可靠性提出了更高要求。

另外，飞控***需要完成接收和处理导航***数据、发送伺服***控制指令、接收伺服反馈指令、接收和处理监视***数据、控制动力***和接收动力***反馈、监视燃油***状态、监视动力电池***状态等任务，对于中大型无人机飞控***，其可靠性和安全性要求更高。

现有技术中，为保证中大型无人机飞控***的可靠性性，在构建冗余飞控***时，需要飞控计算机有丰富的外部接口资源，比如串口通讯接口，地开输出等接口。例如在驱动伺服作动***或者垂起升力***，现有手段常采用PWM信号或者RS_485总线信号，在构建冗余***时，受限于硬件资源，比如采用PWM信号，对于双余度伺服和双余度垂起升力，需要大于20路独立的PWM信号。且PWM信号容易被干扰，走线长度不能太长。如果需要其它地开量，PWM接口往往需要更多。导致飞机计算机设计时候，需要多个协处理器，这样导致飞控计算机硬件设计复杂，软件架构复杂，降低了***可靠性。

为了解决上述问题，本公开实施例提供一种无人机飞控***，通过在飞控计算机上设置多路CAN总线，并分别设置伺服***、动力***和导航***的设备和信号的双余度设计，有效提高了飞控***的可靠性。

下面对本公开实施例的应用场景进行解释：

图1为本公开实施例提供的无人机飞控***的一种应用场景图。如图1所示，在无人机飞行过程中，无人机100的飞控计算机110实时与伺服***120、动力***130、导航***140、燃油***150和地面站160进行数据通信，以保证无人机能够稳定飞行并执行设定任务。

需说明的是，图1所示场景中无人机对应的飞控计算机、伺服***、动力***、导航***、燃油***和地面站仅以一个为例进行示例说明，但本公开不以此为限制，也就是说，飞控计算机、伺服***、动力***、导航***、燃油***和地面站的个数可以是任意的。

以下通过具体实施例详细说明本公开提供的无人机飞控***。需要说明的是，下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。

图2为本公开一个实施例提供的无人机飞控***的结构示意图。如图2所示，无人机飞控***200包括：

飞控计算机201，飞控计算机上至少连接有第一控制器局域网络CAN总线210、第二CAN总线220、第三CAN总线230和串行接口240。

具体的，飞控计算机201主要通过CAN总线与无人机上的各种设备进行连接，有效减少飞控***中所需要铺设的与飞控计算机201连接的走线数量和接口数量，从而简化了飞控计算机的硬件设计，保证***安全性。通过通过CAN总线与各种设备连接，利用CAN总线可以同时连接大量设备并支持多节点数据通信的特性，提高了飞控***的可扩展性。

第一CAN总线210与第二CAN总线220上各连接有一组相同的伺服***和动力***，第一CAN总线210与第二CAN总线220上的伺服***和动力***互为冗余备份，满足：当第一CAN总线210或第二CAN总线220上任意一组伺服***和动力***存在设备故障或信号传输故障时，另一组伺服***和动力***能够正常完成飞控计算机发送的飞行任务。

具体的，第一CAN总线210与第二CAN总线220相互独立。

伺服***包括第一CAN总线210上的第一伺服***211和第二CAN总线220上的第二伺服***221，动力***包括第一CAN总线210上的第一动力***212和第二CAN总线220上的第二动力***222，伺服***可以包括无人机上的多个用于调节飞行方向的伺服器，动力***可以为多组动力相同的动力设备，如发动机。

且第一伺服***211和第二伺服***221对应设备和配置相同，第一动力***212和第二动力***222的设备数量和配置也完全相同，从而保证任一CAN总线上的伺服***和动力***故障后，另一CAN总线上的伺服***和动力***都能正常工作，不影响飞行安全。

飞控计算机201还通过第三CAN总线230与串行接口240各连接有一组相同的导航***连接，第三CAN总线与串行接口连接的导航***互为通过不同方式连接的冗余备份。

具体的，飞控计算机201的第三CAN总线230上连接有第一导航***231，飞控计算机201还通过串行接口240与第二导航***241连接。第一导航***231和第二导航***241分别通过不同的方式与飞控计算机201连接，从而实现不同通讯方式的余度设计，且为两套相互独立的设备，进而实现了非相似双余度设计，有效保证导航***在使用过程中的高可靠性。

可选地，飞控计算机201通过CAN总线协议与第三CAN总线230上的导航***通讯连接，并通过串口通信协议与串行接口240上的导航***通讯连接，第三CAN总线230与串行接口240连接的导航***构成非相似冗余备份。

具体的，飞控计算机201通过不同的通讯方式与导航***连接，能够有效避免任一通讯方式的底层代码出现故障时，飞控计算机整体的安全性。从而有效提高飞控***的可靠性。

可选地，伺服***包括无人机副翼上的伺服器、无人机用于调整方向和升降的伺服器和动力伺服器；动力***包括至少两组电机。

具体的，如图3所示，其为第一CAN总线上的各设备连接关系示意图。对于中大型无人机，通常通过机翼上的副翼调整飞行方向，和设置在机身上调整方向的机身调整结构(如可变机翼的姿态调整或尾翼上的调整结构)，若无人机支持垂直起降，则还包括调整垂直起降的垂直调整结构(如直升机式无人机顶部的螺旋桨)，与副翼、机身调整结构、垂直调整结构配合的，就是副翼上的伺服器、机身上的方向调整伺服器和垂直升降伺服器，同时还包括调整动力***工作的动力伺服器。

进一步地，第一伺服***211中的各伺服器均相互对称设置，第二伺服***221上的各伺服器也相互对称设置，如第一伺服***211中包含有左右副翼伺服器位于内侧(邻近无人机机身一侧)，则第二伺服***221中包含的左右副翼伺服器则位于外侧(偏离无人机机身一侧)。

进一步地，动力***可以为偶数组等动力的动力设备，如4个、8个电动机或燃油发动机，且均匀分布于第一动力***212和第二动力***222。

可选地，第一CAN总线210和第二CAN总线220上还各连接有一组尾部伺服器和尾部动力设备。

具体的，与无人机机身和机翼上的动力***和伺服***相同，无人机的尾部也设置有相互独立的两套伺服器和动力设备，且分别通过第一CAN总线210和第二CAN总线220与飞控计算机201连接，同样能够保证无人机飞控***的安全性和可靠性。

可选地，无人机上还设置有与飞控计算机201通讯连接的网络交换设备250。

具体的，无人机上的网络交换设备250为局域网交换机，通过设置网络交换设备250，使飞控计算机201采用CAN总线协议、串行接口协议以外的方式与其他设备进行通讯，同时，还能方便不同设备间跳过飞控计算机201转发，实现直接通讯，进而简化飞控计算机201数据转发的设计，降低飞控***的复杂度，提高***可靠性。

可选地，第三CAN总线230上还设置有任务载荷设备232、任务计算机233和维护网口234；任务载荷设备232、任务计算机233和维护网口234分别与网络交换设备250通讯连接，满足：任务载荷设备232和维护网口234可以分别通过网络交换设备250与任务计算机233和飞控计算机201通讯，也可以通过第三CAN总线230与任务计算机233和飞控计算机201通讯；维护网口234用于通过维护自监测功能进行故障诊断和对设备状态进行监测。

具体的，根据无人机执行的任务和功能不同，任务载荷设备232可以是用于农业的农药播撒设备、用于测绘的侦查摄像设备等，任务计算机233为与任务载荷设备232配合的用于控制任务载荷设备232工作并监测任务载荷设备232相关数据的控制设备，维护网口234为用于维护人员或管理人员在地面上对无人机内设备进行设备维护、运行维护自监测管理(MBIT，Maintenance Built In Test)软件(指在测试模式下由操作人员对飞控计算机、任务计算机等设备的各个部件、输入输出通道、传感器和执行机构进行的检测)、对飞控计算机201和任务计算机233进行软件升级等功能的网口，维护网口234通常为外置网口。

任务计算机233通过网络交换设备250直接控制任务载荷设备232，而不需要飞控计算机201参与处理，减少了对飞控计算机201的处理能力的占用，从而能够在飞控计算机201上再增加其他功能和设备，增强了飞控***的***扩展性和飞行***安全性。

通过将维护网口234与网络交换设备250连接，使得地面维护人员能够在没有飞控计算机201的参与下，对无人机内的动力***等设备进行维护，由此在维护功能的软件设计时，不需要再考虑与飞控计算机201的同步和转发，从而简化维护功能和维护软件的设计，方便对无人机的设备维护。

可选地，无人机上还设置有与网络交换设备250通讯连接的无线链路设备251，无线链路设备251用于在地面站与任务计算机233间传输遥控遥测数据。

具体的，遥测遥控数据用于表示地面站对任务载荷设备232的远程控制命令数据和从任务载荷设备232获取的监测数据。通过设置网络交换设备250和无线链路设备251，可以实现地面站与任务计算机233间直接进行遥测遥控数据的通讯，而不需要飞控计算机201转发，进而简化飞控计算机201的设计，不需要在单独配置飞控计算机201与任务计算机233间的遥控遥测数据转发协议，降低飞控计算机201的任务负荷，提高飞控计算机201处理其他任务的工作效率。

可选地，第三CAN总线230上还连接有电源***、配电***、燃油***、参数采集***、变压整流***和开舱伺服器。

具体的，第三CAN总线230除第一导航***231外，主要与无人机中的电子/燃油配套设备连接，因此，除前述任务载荷设备232、任务计算机233和维护网口234外，还可以包括电源***等设备。

一些实施例中，电源***、配电***、燃油***、参数采集***、变压整流***和开舱伺服器也可以另外设置在单独的CAN总线上，以与任务载荷设备等相独立，避免单个CAN总线故障时，大量设备无法完成数据传输，提升***安全性。

可选地，飞控计算机201上还设置有第四CAN总线260；第四CAN总线260上还连接有无人机状态监视设备261、电子控制器设备262、环境采集设备263和开舱伺服器。

具体的，当无人机包括货仓时，还需要与货仓配合的开仓伺服器。与动力***相似，为提升***可靠性，对开仓伺服器也可以进行余度备份设计，如在第三CAN总线230上设置第一开舱伺服器235，在第四CAN总线260上设置第二开舱伺服器264，其中，第一开舱伺服器235和第二开舱伺服器264互为结构和信号的双余度备份。

其中，无人机状态监视设备261用于监测无人机运行过程中的相关指标参数，如设备温度、油量、电量等。

可选地，导航***包括卫星测量设备、惯性测量设备、大气测量设备、磁罗盘、高度表、前视雷达、视觉导航设备中的至少一种。

具体的，根据导航***设计不同，可以包含不同导航设备，也可以包含不同导航设备的组合，如图4所示，其为导航***的组成结构示意图，该导航***包括高度表、磁罗盘、卫星测量设备、惯性测量设备、大气测量设备的组合。

本公开提供的无人机飞控***，通过设置两组相同的伺服***和动力***，实现动力和伺服设备的双余度设计，通过两条CAN总线分别与相同的伺服***和动力***连接，实现了动力和伺服信号的双余度设计，从而构成信号和设备的双余度设计，有效保证单一设备故障或者传输信号故障发生时，飞行***能正常工作。通过CAN总线和串行接口分别与相同的导航***连接，由于两个导航***与飞控计算机的通讯方式不同，从而在导航***设备双余度的基础上，通过两种不同通讯方式构成信号的非相似余度设计，进行有效保证了通讯可靠性和可扩展性。通过伺服***、动力***和导航***的不同余度设计相结合，极大提升了无人机***的可靠性。

在本公开所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，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，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个***，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接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (10)

1.一种无人机飞控***，其特征在于，包括：

飞控计算机，所述飞控计算机上至少连接有第一CAN总线、第二CAN总线、第三CAN总线和串行接口；

所述第一CAN总线与第二CAN总线上各连接有一组相同的伺服***和动力***，所述第一CAN总线与第二CAN总线上的伺服***和动力***互为冗余备份，满足：当所述第一CAN总线或第二CAN总线上任意一组伺服***和动力***存在设备故障或信号传输故障时，另一组伺服***和动力***能够正常完成飞控计算机发送的飞行任务；

所述飞控计算机还通过第三CAN总线与串行接口各连接有一组相同的导航***，所述第三CAN总线与串行接口连接的导航***互为通过不同通讯方式连接的冗余备份。

2.根据权利要求1所述的无人机飞控***，其特征在于，所述飞控计算机通过CAN总线协议与第三CAN总线上的导航***通讯连接，并通过串口通信协议与串行接口上的导航***通讯连接，所述第三CAN总线与串行接口连接的导航***构成非相似冗余备份。

3.根据权利要求1所述的无人机飞控***，其特征在于，所述伺服***包括无人机副翼上的伺服器、无人机用于调整方向和升降的伺服器和动力伺服器；动力***包括至少两组电机。

4.根据权利要求1所述的无人机飞控***，其特征在于，所述第一CAN总线和第二CAN总线上还各连接有一组尾部伺服器和尾部动力设备。

5.根据权利要求1所述的无人机飞控***，其特征在于，所述无人机上还设置有与所述飞控计算机通讯连接的网络交换设备。

6.根据权利要求5所述的无人机飞控***，其特征在于，所述第三CAN总线上还设置有任务载荷设备、任务计算机和维护网口；

所述任务载荷设备、任务计算机和维护网口分别与所述网络交换设备通讯连接，满足：所述任务载荷设备和所述维护网口可以分别通过网络交换设备与所述任务计算机和所述飞控计算机通讯，也可以通过所述第三CAN总线与所述任务计算机和所述飞控计算机通讯；

所述维护网口用于通过维护自监测功能进行故障诊断和对设备状态进行监测。

7.根据权利要求6所述的无人机飞控***，其特征在于，所述无人机上还设置有与所述网络交换设备通讯连接的无线链路设备，所述无线链路设备用于在地面站与任务计算机间传输遥控遥测数据。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的无人机飞控***，其特征在于，所述第三CAN总线上还连接有电源***、配电***、燃油***、参数采集***、变压整流***和开舱伺服器。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的无人机飞控***，其特征在于，所述飞控计算机上还设置有第四CAN总线；

所述第四CAN总线上还连接有无人机状态监视设备、电子控制器设备、环境采集设备和开舱伺服器。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的无人机飞控***，其特征在于，所述导航***包括卫星测量设备、惯性测量设备、大气测量设备、磁罗盘、高度表、前视雷达、视觉导航设备中的至少一种。

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