CN114735201A - 一种无人机冗余飞控模块的无扰切换方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机冗余飞控模块的无扰切换方法和装置，该装置通过第一飞控模块和所述第二飞控模块相互发送预设频率的PWM波信号以监控对方的状态，当其中一个飞控模块发生故障则将另一个飞控模块设置为主控制模块，由于数据在第一飞控模块和第二飞控模块之间始终是双向传输的，因而在第一飞控模块在先发生故障再恢复主控制功能后，其也可以在第一时间接收第二飞控模块传输的飞行数据进行同步，从而实现了无人机飞行控制的无扰切换。

Description

一种无人机冗余飞控模块的无扰切换方法和装置

技术领域

本发明涉及无人机飞行控制领域，尤其涉及一种无人机冗余飞控模块的无扰切换方法和装置。

背景技术

无人驾驶飞机简称“无人机”，是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。随着科技的发展，无人机技术日趋成熟，无人机以其速度快、操作灵活、用途广泛、成本低、以及机动性能好等特点被广泛应用，不仅在现代战争中有极其重要的作用，在民用领域更有广阔的前景。

而无人机飞控模块又是无人机的核心，对于使用单个飞控模块的无人机而言，若在飞行过程中飞控模块出现异常或故障，将直接导致无人机飞控出现故障，将导致无人机因失控而发生坠毁，带来不必要的经济损失和安全隐患。

为了提升无人机飞行控制***的可用性和稳定性，申请号为“201610969778.2”的发明专利公开了一种无人机飞行控制方法及***，***中冗余设置有至少两个飞行控制器，该方法包括：获取各个飞行控制器的设备配置信息；根据各个飞行控制器的设备配置信息，确定当前飞行控制器是否为主飞行控制器；若当前飞行控制器为主飞行控制器，则对所述主飞行控制器的无人机飞行状态数据和/或无人机任务配置数据进行同步处理；将所述同步处理后的数据发布到各个备用飞行控制器，以供各备用飞行控制器对所述无人机飞行状态数据和/或无人机任务配置数据进行备份。本发明实施例通过对飞行控制器进行冗余设置，有效的提高了无人机飞行控制***的可用性和稳定性。

然而，发明人发现主飞行控制器只有在其处于正常工作状态时才会对飞行数据进行同步处理，一旦主飞行控制器发生故障到其复位到能够正常工作的这一过程中，由于其无法接收任何飞行数据，导致其重新恢复主控功能时无法对无人机的状态进行有效监测，存在着一定的安全隐患。

因此，在无人机的主飞行控制器发生故障后，实现各个飞行控制器功能的无扰切换，是本领域技术人员目前亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术中的缺陷，提出了一种无人机冗余飞控模块的无扰切换方法和装置，通过第一飞控模块和所述第二飞控模块相互发送预设频率的PWM波信号以监控对方的状态，当其中一个飞控模块发生故障则将另一个飞控模块设置为主控制模块，由于数据在第一飞控模块和第二飞控模块之间始终是双向传输的，因而在第一飞控模块在先发生故障再恢复主控制功能后，其也可以在第一时间接收第二飞控模块传输的飞行数据进行同步，从而实现了无人机飞行控制的无扰切换。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

在第一方面，本发明提供了一种无人机冗余飞控模块的无扰切换方法，所述方法应用于无人机冗余飞控模块的无扰切换装置，所述装置包括第一飞控模块和第二飞控模块；

所述方法包括：

设置所述第一飞控模块为主控制模块，所述第二飞控模块为从控制模块，所述第一飞控模块和所述第二飞控模块相互发送预设频率的PWM波信号以监控对方的状态；所述主控制模块被配置为对所述无人机的控制命令进行响应，所述从控制模块被配置为对所述无人机的控制命令不进行响应；

所述第一飞控模块和所述第二飞控模块分别接收传感器采集的无人机的飞行数据，并分别基于所述飞行数据进行计算，得到第一运算结果和第二运算结果；

所述第一飞控模块接收所述第二运算结果，判断接收的所述第二运算结果与所述第一运算结果是否一致，在两者不一致时将所述第二飞控模块计算的第二运算结果同步为第一运算结果；

当所述第二飞控模块接收到的PWM波信号中断或频率发生变化时，将所述第一飞控模块切换为从控制模块，并对所述第一飞控模块进行复位，以及将所述第二飞控模块切换为主控制模块；

当所述第二飞控模块再次接收到所述第一飞控模块发出的符合所述预设频率的PWM波信号时，将所述第一飞控模块重新切换回主控制模块，将所述第二飞控模块重新切换从主控制模块。

作为一种可选的实施例，所述装置还包括主从切换模块，所述主从切换模块包括第一引脚和第二引脚，所述方法包括：

所述主从切换模块通过改变所述第一引脚和所述第二引脚的电平信号，实现主控制模块或从控制模块的切换。

作为一种可选的实施例，所述第一飞控模块包括第一存储模块，所述第二飞控模块包括第二存储模块；

所述方法包括：

将控制程序烧录至所述第一存储模块中；

在无人机启动后，第一飞控模块获取所述第一存储模块中的控制程序并将其发送给所述第二飞控模块；

第二飞控模块将接收的所述控制程序存储至所述第二存储模块。

作为一种可选的实施例，所述装置包括用于采集所述飞行数据的传感器，所述传感器包括IMU和/或GPS和/或空速管，所述飞行数据包括无人机三轴姿态角和/或三维位置信息、和/或空速。

作为一种可选的实施例，所述第一运算结果或所述第二运算结果包括滚转角、俯仰角、偏航角、三轴加速度或三轴角速度。

作为一种可选的实施例，所述第一飞控模块和所述第二飞控模块分别可拔插地设置于同一电路板上，所述方法包括：

当所述第一飞控模块或所述第二飞控模块的其中之一被从所述电路板取下时，仍与所述电路板保持连接的所述第一飞控模块或所述第二飞控模块自动被设置为主控制模块。

作为一种可选的实施例，所述装置还包括地面控制中心，所述方法包括：

所述地面控制中心根据所述第一飞控模块或所述第二飞控模块的物理地址发送控制命令给所述第一飞控模块或所述第二飞控模块，以将所述第一飞控模块或所述第二飞控模块中的一个调整为主控制模块，另一个调整为从控制模块。

作为一种可选的实施例，判断接收的所述第二运算结果与所述第一运算结果是否一致包括：主控制模块按照预定采样周期频率对从控制模块计算的第二运算结果进行采样，并判断在同一个采样周期内接收的所述第二运算结果与所述第一运算结果是否一致；

和/或，判断所述第二飞控模块接收到的PWM波信号中断或频率发生变化包括：判断同一个采样周期内所述第二飞控模块接收到的PWM波信号是否中断或频率是否发生变化。

作为一种可选的实施例，所述装置还包括信号分路器，所述方法还包括：

信号分路器对于所述传感器采集的飞行数据进行分路后传输给所述第一飞控模块和所述第二飞控模块。

在第二方面，本发明还提供了一种无人机冗余飞控模块的无扰切换装置，其特征在于，所述装置用于执行如本发明第一方面所述的方法步骤。

本发明能够取得以下技术效果：

本发明提出了一种无人机冗余飞控模块的无扰切换方法和装置，该装置设置有第一飞控模块和第二飞控模块，两者通过相互发送预设频率的PWM波信号以监控对方的状态，当其中一个飞控模块发生故障则将另一个飞控模块设置为主控制模块，而后对于发生故障的飞控模块进行复位重启，并在重启完成后再次将其设置为主控制模块。由于数据在第一飞控模块和第二飞控模块之间始终是双向传输的，因而在第一飞控模块恢复主控制功能后，其可以在第一时间接收第二飞控模块传输的飞行数据进行同步，可以有效避免飞行数据的丢失，实现了无人机飞行控制的无扰切换。

附图说明

图1是本发明一实施例涉及的无人机冗余飞控模块的无扰切换方法的流程图；

图2是本发明另一实施例涉及的无人机冗余飞控模块的无扰切换方法的流程图；

图3是本发明再一实施例涉及的无人机冗余飞控模块的无扰切换方法的流程图；

图4是本发明另一实施例涉及的无人机冗余飞控模块的无扰切换装置的模块示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

请参阅图1，是本发明一实施例涉及的无人机冗余飞控模块的无扰切换方法的流程图，该方法应用于无人机冗余飞控模块的无扰切换装置，装置包括第一飞控模块和第二飞控模块；

该方法包括以下步骤：

首先进入步骤S101设置第一飞控模块为主控制模块，第二飞控模块为从控制模块，第一飞控模块和第二飞控模块相互发送预设频率的PWM波信号以监控对方的状态；

而后进入步骤S102第一飞控模块和第二飞控模块分别接收传感器采集的无人机的飞行数据，并分别基于飞行数据进行计算，得到第一运算结果和第二运算结果；

而后进入步骤S103第一飞控模块接收第二运算结果，判断接收的第二运算结果与第一运算结果是否一致，在两者不一致时将第二飞控模块计算的第二运算结果同步为第一运算结果；

而后进入步骤S104当第二飞控模块接收到的PWM波信号中断或频率发生变化时，将第一飞控模块切换为从控制模块，并对第一飞控模块进行复位，以及将第二飞控模块切换为主控制模块；

而后进入步骤S105当第二飞控模块再次接收到第一飞控模块发出的符合预设频率的PWM波信号时，将第一飞控模块重新切换回主控制模块，将第二飞控模块重新切换从主控制模块。

在本实施方式中，主控制模块被配置为对无人机的控制命令进行响应，从控制模块被配置为对无人机的控制命令不进行响应。对无人机的控制命令可以包括姿态调整、数据采集、启停控制等。

在本实施方式中，第一飞控模块和第二飞控模块可以通过飞行控制器来实现，第一飞控模块和第二飞控模块相互发送的PWM波信号的预定频率可以根据实际需要进行设定。优选的，主控制模块和从控制模块传输预定频率的PWM信号采用UART通信协议。第二飞控模块接收到的PWM波信号中断或频率发生变化说明当前第一飞控模块发生故障，触发故障的原因可以是掉电、程序跑飞、线路故障、晶振故障等。

在本实施方式中，装置包括用于采集飞行数据的传感器，传感器包括IMU和/或GPS和/或空速管，飞行数据包括无人机三轴姿态角和/或三维位置信息、和/或空速。优选的，第一运算结果或第二运算结果包括滚转角、俯仰角、偏航角、三轴加速度或三轴角速度。在获取到传感器采集的数据后，第一飞控模块或第二飞控模块通过扩展卡尔曼滤波解算出的滚转角、俯仰角、偏航角、三轴加速度、三轴角速度等。在本实施方式中，主控制模块与从控制模块传输姿态解算和状态估计的中间变量采用SPI通信协议。

优选的，判断接收的第二运算结果与第一运算结果是否一致包括：主控制模块按照预定采样周期频率对从控制模块计算的第二运算结果进行采样，并判断在同一个采样周期内接收的第二运算结果与第一运算结果是否一致。第一飞控模块和第二飞控模块通过不间断地相互采样对方的飞行数据，能够保证飞行数据的实时同步，且在第一飞控模块发生故障后进行复位重新开始工作时，第二飞控模块作为此时的从控制模块能够在第一时间将当前自身的飞行数据分享给第一飞控模块，有效避免了数据的丢失，保证对无人机控制模块的无扰切换。

在某些实施例中，装置还包括主从切换模块，主从切换模块包括第一引脚和第二引脚，方法包括：主从切换模块通过改变第一引脚和第二引脚的电平信号，实现主控制模块或从控制模块的切换。优选的，判断第二飞控模块接收到的PWM波信号中断或频率发生变化包括：判断同一个采样周期内第二飞控模块接收到的PWM波信号是否中断或频率是否发生变化。这样，可以保证在PWM波信号中断或频率发生变化时，主从切换模块能够及时地将当前故障的第一飞控模块切换为从控制模块，将当前处于正常工作状态的第二飞控模块切换为主控制模块，保证对无人机的控制能正常进行。

例如主从切换模块设置有A引脚和B引脚，当A引脚为高电平，B引脚为低电平，主从切换模块通过IN1引脚进行输入，此时无人机的执行机构(如舵机等)的控制命令通过第一飞控模块进行发出；当A引脚为低电平，B引脚为高电平，主从切换模块通过IN2引脚进行输入，此时无人机的执行机构(如舵机等)的控制命令通过第二飞控模块进行发出。在一个采样周期内，从控制模块从主控制模块接收到的PWM波信号，频率发生改变，AB＝10(A引脚高电平B引脚低电平)就会变成AB＝01(A引脚低电平B引脚高电平)。A引脚由主控制模块控制，B引脚由从控制模块控制，飞控模块出现异常，引脚就会变成低电平。

在某些实施例中，第一飞控模块包括第一存储模块，第二飞控模块包括第二存储模块。如图2所示，该方法包括：首先进入步骤S201将控制程序烧录至第一存储模块中；而后进入步骤S202在无人机启动后，第一飞控模块获取第一存储模块中的控制程序并将其发送给第二飞控模块；而后进入步骤S203第二飞控模块将接收的控制程序存储至第二存储模块。这样，控制程序只需烧录一次，其他通过通信获取烧录的控制程序进行存储，以保证任一飞控模块被设置为主控制模块时，能够及时调用自身存储模块中的控制程序对无人机的飞行参数进行控制。

在某些实施例中，第一飞控模块和第二飞控模块分别可拔插地设置于同一电路板上，方法包括：当第一飞控模块或第二飞控模块的其中之一被从电路板取下时，仍与电路板保持连接的第一飞控模块或第二飞控模块自动被设置为主控制模块。这样，当第一飞控模块或第二飞控模块中的任一项被从电路板上取下时，装置可以进入单飞控制模式，即将剩下的仍与电路板保持连接的飞控模块设为主控制模块，对无人机的飞行状态进行控制。此外，第一飞控模块和第二飞控模块通过拔插方式设置于电路板上，当任一飞控模块发生损坏时可以及时进行更换，降低设备的维护成本。

在某些实施例中，装置还包括地面控制中心，方法包括：地面控制中心根据第一飞控模块或第二飞控模块的物理地址发送控制命令给第一飞控模块或第二飞控模块，以将第一飞控模块或第二飞控模块中的一个调整为主控制模块，另一个调整为从控制模块。简言之，主从控制模块的切换除了在第一飞控模块发生故障时完成自动切换以外，也可以通过地面控制中心发送切换控制命令完成切换，从而进一步的增加了无人机冗余飞控模块的可操作性。

在某些实施例中，装置还包括信号分路器，方法还包括：信号分路器对于传感器采集的飞行数据进行分路后传输给第一飞控模块和第二飞控模块。通过设置信号分路器对于传感器采集的飞行数据信号进行分路，使得第一飞控模块和第二飞控模块能够实时接收完全一致的飞行数据信号，便于后续对中间变量的计算。

如图4所示，在第二方面，本发明还提供了一种无人机冗余飞控模块的无扰切换装置，装置用于执行如本发明第一方面的方法步骤。

在图4中，装置包含两个互为冗余的飞控模块，即飞控模块A(即前文提及的第一飞控模块)和飞控模块B(即前文提及的第二飞控模块)。以其中一侧的飞控模块A为例，有六个信号端口A1、A2、A3、A4、A5、A6，其中A1、A2、A3、A4、A5与飞控模块B相连，A6与二选一选择模块(即前文提及的主从切换模块)相连，二选一模块包含四个信号输入端口(IN1、IN2、A、B)和一个输出端口；一分二模块(即前文提及的信号分路器)包含1个输入端口IN、以及两个输出端口Q1、Q2。

各信号端口功能如下：

A1信号端口：在飞控模块A的控制下输出固定频率的PWM波信号，使飞控模块B可以实时监测飞控模块A的状态；

A2信号端口：输入来自飞控模块B输出的固定频率的PWM波信号，以监测飞控模块B的状态；

A3信号端口：为双向端口，上电后，同步飞控模块A中的程序到飞控模块B，在无人机飞行过程中，主控制模块与从控制模块逻辑运算产生的中间变量不一致时，主控制模块通过此端口输出逻辑运算产生的中间变量的值替换从控制模块产生的中间变量的值；

A4信号端口：输出飞控模块A内部逻辑运算产生的中间变量；

A5信号端口：输入来自飞控模块B内部逻辑运算产生的中间变量；

A6信号端口：当飞控模块A为主控制模块时，输出“高电平”，当飞控模块A为从控制模块或者出现故障时，输出“低电平”，信号输入选择IN1；

二选一模块：当A端口输入为高电平，B端口输入为低电平，选择IN1端口作为输入；当A端口输入为低电平，B端口输入为高电平，选择IN2端口作为输入；

一分二模块：将传感器的数据从IN端口输入，将数据一分为二通过Q1、Q2端口将分别输出到飞控模块A和飞控模块B；

在单飞控模式(即只需要使用到一个飞控模块)工作时，A1、A2、A3、A4、A5端口停止工作，A6端口为高电平(若保留的是飞控模块A)。如图3所示，为图4对应的装置的工作流程图。在***上电后，默认设置飞控模块A为主控制模块，设置飞控模块B为从控制模块，飞控程序只需被下载安装至飞控模块A中，飞控模块B会自动同步飞控模块A中的程序。主控制模块和从控制模块同时采集来自传感器的数据，驱动舵机和俯仰滚动控制模块只收到来自主控制模块的控制指令。主控制模块、从控制模块之间互相发送频率固定的PWM波信号，以此监测对方状态，同时通过高速串行通信方式对姿态解算和状态估计的数据(即前文提及的第一运算结果和第二运算结果)进行比对和同步，以保证每时每刻主控制模块、从控制模块都有着相同的运算结果。当主控制模块出现故障，从控制模块将接受不到来自主控制模块的PWM波信号或者接受到错误的PWM波信号，则从控制模块切换为主控制模块，原主控制模块硬件自检复位后切换为从控制模块，驱动舵机和俯仰、滚动控制模块将不会接收到来自原主控制模块的指令，从而实现了飞控冗余切换。在原主控制模块恢复正常，即当前从控制模块被重新切换为主控制模块后，主控制模块重新接收当前从控制模块(即原有的从控制模块)的PWM波信号实现状态监测，并同时同步从控制模块的数据，以保证主从控制模块始终能实现无扰切换。

此外，在本申请中，由于主控制模块、从控制模块采集的数据来自同一传感器一分为二得到的，且进行周期性的姿态解算和状态估计的数据的比较和同步，使主、从控制模块二者能一直保持共同的步调，因此在进行主从切换后，原从控制模块输入、输出不会有差异，进而保证了整个冗余飞控***输出的无扰动，实现了主从飞控的无扰切换。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无人机冗余飞控模块的无扰切换方法，其特征在于，所述方法应用于无人机冗余飞控模块的无扰切换装置，所述装置包括第一飞控模块和第二飞控模块；

所述方法包括：

设置所述第一飞控模块为主控制模块，所述第二飞控模块为从控制模块，所述第一飞控模块和所述第二飞控模块相互发送预设频率的PWM波信号以监控对方的状态；所述主控制模块被配置为对所述无人机的控制命令进行响应，所述从控制模块被配置为对所述无人机的控制命令不进行响应；

所述第一飞控模块和所述第二飞控模块分别接收传感器采集的无人机的飞行数据，并分别基于所述飞行数据进行计算，得到第一运算结果和第二运算结果；

所述第一飞控模块接收所述第二运算结果，判断接收的所述第二运算结果与所述第一运算结果是否一致，在两者不一致时将所述第二飞控模块计算的第二运算结果同步为第一运算结果；

当所述第二飞控模块接收到的PWM波信号中断或频率发生变化时，将所述第一飞控模块切换为从控制模块，并对所述第一飞控模块进行复位，以及将所述第二飞控模块切换为主控制模块；

当所述第二飞控模块再次接收到所述第一飞控模块发出的符合所述预设频率的PWM波信号时，将所述第一飞控模块重新切换回主控制模块，将所述第二飞控模块重新切换从主控制模块。

2.如权利要求1所述的无人机冗余飞控模块的无扰切换方法，其特征在于，所述装置还包括主从切换模块，所述主从切换模块包括第一引脚和第二引脚，所述方法包括：

所述主从切换模块通过改变所述第一引脚和所述第二引脚的电平信号，实现主控制模块或从控制模块的切换。

3.如权利要求1所述的无人机冗余飞控模块的无扰切换方法，其特征在于，所述第一飞控模块包括第一存储模块，所述第二飞控模块包括第二存储模块；

所述方法包括：

将控制程序烧录至所述第一存储模块中；

在无人机启动后，第一飞控模块获取所述第一存储模块中的控制程序并将其发送给所述第二飞控模块；

第二飞控模块将接收的所述控制程序存储至所述第二存储模块。

4.如权利要求1所述的无人机冗余飞控模块的无扰切换方法，其特征在于，所述装置包括用于采集所述飞行数据的传感器，所述传感器包括IMU和/或GPS和/或空速管，所述飞行数据包括无人机三轴姿态角和/或三维位置信息、和/或空速。

5.如权利要求1或4所述的无人机冗余飞控模块的无扰切换方法，其特征在于，所述第一运算结果或所述第二运算结果包括滚转角、俯仰角、偏航角、三轴加速度或三轴角速度。

6.如权利要求1所述的无人机冗余飞控模块的无扰切换方法，其特征在于，所述第一飞控模块和所述第二飞控模块分别可拔插地设置于同一电路板上，所述方法包括：

当所述第一飞控模块或所述第二飞控模块的其中之一被从所述电路板取下时，仍与所述电路板保持连接的所述第一飞控模块或所述第二飞控模块自动被设置为主控制模块。

7.如权利要求1所述的无人机冗余飞控模块的无扰切换方法，其特征在于，所述装置还包括地面控制中心，所述方法包括：

所述地面控制中心根据所述第一飞控模块或所述第二飞控模块的物理地址发送控制命令给所述第一飞控模块或所述第二飞控模块，以将所述第一飞控模块或所述第二飞控模块中的一个调整为主控制模块，另一个调整为从控制模块。

8.如权利要求1所述的无人机冗余飞控模块的无扰切换方法，其特征在于，

判断接收的所述第二运算结果与所述第一运算结果是否一致包括：主控制模块按照预定采样周期频率对从控制模块计算的第二运算结果进行采样，并判断在同一个采样周期内接收的所述第二运算结果与所述第一运算结果是否一致；

和/或，判断所述第二飞控模块接收到的PWM波信号中断或频率发生变化包括：判断同一个采样周期内所述第二飞控模块接收到的PWM波信号是否中断或频率是否发生变化。

9.如权利要求1所述的无人机冗余飞控模块的无扰切换方法，其特征在于，所述装置还包括信号分路器，所述方法还包括：

信号分路器对于所述传感器采集的飞行数据进行分路后传输给所述第一飞控模块和所述第二飞控模块。

10.一种无人机冗余飞控模块的无扰切换装置，其特征在于，所述装置用于执行如权利要求1至9任一项所述的方法步骤。

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