一种大型中高空察打一体无人机飞控系统冗余架构方法技术方案

本发明专利技术一种大型中高空察打一体无人机飞控系统冗余架构方法，包括飞行传感器、余度飞控计算机和执行机构三个部分，本发明专利技术的飞控系统冗余构架方法，对每个部分都进行了相应的冗余设计。飞控计算机部分采用基于FlexRay和Can总线的三余度硬件架构。执行机构部分包括副翼舵机，V尾舵机，前轮转向舵机，风门舵机，油门舵机和螺旋桨调速舵机。本发明专利技术在飞控系统的各组成部分都进行相应的冗余设计，其中三余度飞控计算机，基于FlexRay和Can总线的分布式架构设计，使得系统消除了拜占庭将军故障，提高了可靠性，同时具有扩展性强、结构简单灵活、维护成本低等优点。使系统同时满足无人机高可靠及低成本，高性价比要求。

A redundancy architecture method for large and medium altitude surveillance and UAV flight control system

The invention provides a redundancy architecture method for a large UAV flight control system, which includes three parts: flight sensor, redundancy flight control computer and actuator. The redundancy architecture method of the flight control system of the invention has corresponding redundancy design for each part. The flight control computer part adopts three redundancy hardware architecture based on FlexRay and Can bus. The actuator includes aileron steering gear, V tail steering gear, front wheel steering gear, throttle steering gear, throttle steering gear and propeller speed regulating steering gear. The three-redundancy flight control computer, which is based on FlexRay and Canbus distributed architecture, eliminates the Byzantine general fault, improves the reliability, and has the advantages of strong expansibility, simple and flexible structure, low maintenance cost, etc. . The system can satisfy UAV's high reliability and low cost and high cost performance.

【技术实现步骤摘要】
一种大型中高空察打一体无人机飞控系统冗余架构方法
本专利技术涉及一种大型中高空察打一体无人机飞控系统冗余架构方法，尤其涉及一种基于FlexRay和Can总线的融合相似和非相似冗余思想的分布式飞控系统冗余架构方法，用于在考虑性价比因素的条件下，满足大型中高空长航时察打一体无人机对飞行控制系统可靠性、实时性、维护性、通用性、扩展性以及性价比的要求，该方案运用了多种冗余设计手段，最大化使用了高可靠COTS产品，充分利用FlexRay和Can总线优势提高系统性能的同时降低成本，大大提高无人机市场竞争力，属于飞控系统硬件架构设计

技术介绍
随着无人机应用日益广泛、应用领域不断扩大，功能不断增强，研制生产和使用维护成本不断提高，对飞行控制系统的可靠性要求也越来越高。飞控系统可靠性设计的优劣直接影响着飞行器的飞行安全，因此单纯依赖提高元器件及部件的质量和装配工艺质量已很难达到系统要求，冗余设计技术可以有效的提高飞控系统的可靠性和容错能力，因而必须从飞控系统的体系结构的设计入手，采用冗余技术从根本上提高系统的容错性与残存能力，实现故障软化以便达到消除故障对系统正常工作的影响的目的。冗余容错飞控系统已经成功的运用于民航客机、战斗机等有人机中，将飞控系统的故障率降低为10-7-10-10/飞行小时。然而，有人机的冗余容错飞控系统不能满足无人机体积、功耗、价格等要求，无法直接应用于无人机中。随着微电子、电子、计算机、总线等技术的发展，电子设备集成化程度更高、功能更强大，而体积更小、重量更轻、功率更小、价格更便宜。工业电子技术应用广泛，其发展速度通常远高于航空电子技术的发展，但其可靠性也较低。如何合理的将先进的工业产品运用于航空电子设备中，充分利用工业技术的进步提高产品性能，在满足高可靠性的同时降低成本，始终是无人机飞控系统设计人员需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种大型中高空察打一体无人机飞控系统冗余架构方法，为了在低成本条件下，有效提高大型中高空长航时察打一体无人机飞控系统的可靠性和容错能力，本专利技术提供一种基于FlexRay和Can总线的融合相似和非相似冗余思想的分布式飞控系统冗余架构方法，消除了TMR系统经常会引起拜占庭将军故障，具有扩展性强、结构简单灵活、维护成本低等优点，冗余容错技术及工业成熟产品的应用，使该飞控系统同时满足无人机高可靠及低成本，高性价比要求。本
技术实现思路
为提供一种大型中高空察打一体无人机飞控系统冗余架构方法，所述的飞控系统，包括飞行传感器、余度飞控计算机和执行机构三个部分，本专利技术的飞控系统冗余构架方法，是对每个部分都进行了相应的冗余设计。飞控计算机部分采用基于FlexRay和Can总线的三余度硬件架构。执行机构部分包括副翼舵机，V尾舵机，前轮转向舵机，风门舵机，油门舵机和螺旋桨调速舵机。优选地，其中对飞行传感器系统的冗余设计，采用多系统多频点方案，通过安装非相似的导航设备，经过数据融合，实现传感器信号冗余，具体包括卫星导航、惯性导航、组合导航、大气数据系统、雷达高度表、风标传感器、触地开关、及发动机/燃油/配电/起落架监控。其中惯性导航方面，采用的是高精度光纤陀螺，使无人机能够实现高精度投掷末制导炸弹。其中，同一个传感器可以提供不同的导航定位定姿信息，相互之间存在冗余备份关系；高度信息源有大气数据系统、卫星(GPS,BD2,GLONASS)导航、雷达高度表；位置信息源有卫星(GPS,BD2,GLONASS)导航、惯性导航；姿态信息源有高精度光纤陀螺、卫星导航系统提供的移动差分姿态(通过双天线的移动差分，提供滚转和偏航两个方向的姿态信息)。其中，“高度信息源，位置信息源，姿态信息源”是指能够提供高度信息、位置信息和姿态信息的机上传感器设备。优选地，其中对执行机构部分的冗余设计，是通过气动舵面(副翼，V尾)分片设计，伺服系统电气冗余，实现执行机构的余度设计。气动舵面的分片设计，是将无人机两侧副翼、V尾的舵面各分两片，靠近机体一侧的4片舵面称内侧舵面，远离机体一侧的4片舵面称外侧舵面，如果内侧舵机故障导致舵面卡死，则控制外侧舵面将飞机安全带回。伺服系统的电气冗余是指舵机控制器内部设计两套控制电路，正常工作时默认其中一套有效，出现故障后，切换至另一套。优选地，其中对飞控计算机部分的冗余设计，为三模冗余模式，具体是通过配置三个同样的飞控板卡，运行相近程序(仅总线驱动不同)，形成相似冗余。底层提供硬件同步(纳秒级)，通过FlexRay总线进行板间通信(包括接口板)。优选地，其中的飞控计算机三模冗余模式为，三个飞控板采集同样传感器数据，各自解算控制律获得舵面指令，驱动舵机实现控制闭环。舵面指令通过中值表决可隔离单机故障，同时各飞控板卡监控其他板卡状态，根据控制指令累积偏差，定位故障板卡，启用双模冗余工作。优选地，飞控系统中根据关键气动舵面控制指令表决点的不同分为两种表决模式，构成冗余。a)舵机端值表决模式，舵面指令通过CAN总线传给舵机，在舵机端进行中值表决后驱动气动舵面；b)接口板表决模式，接口板通过FlexRay获得舵面指令，进行中值表决再通过RS422发送到舵机，当舵机CAN总线故障/失去信号，改用RS422的数据指令。两种表决模式的设计互为冗余，也就是在出现一次故障后，舵面的控制指令仍然存在三重冗余，可靠性大大提高。优选地，其中的飞控计算机双模冗余模式为：判断单机故障后，舵机端/接口板根据各飞控指示的三机故障情况，依据飞控板编号先后，确定当班机，根据当班机的舵面指令驱动舵机，不再对舵面指令进行表决。根据心跳、板卡自检等信息，确定二次故障板卡，启用单模模式。优选地，其中的飞控计算机单模模式为，双模冗余模式下若当班机再发生故障，舵面指令/接口板卡将当班权切换到正常的单机上，独立完成飞行控制。与现有技术相比，本专利技术所提供的大型中高空长航时察打一体无人机飞控系统冗余架构方案融合了多种冗余设计思想，在飞控系统的各组成部分中都进行的相应的冗余设计，尤其是其中的三余度飞控计算机，基于FlexRay和Can总线的分布式架构设计，使得系统消除了拜占庭将军故障，提高了可靠性，同时具有扩展性强、结构简单灵活、维护成本低等优点。容错技术及工业成熟产品的应用，使系统同时满足无人机高可靠及低成本，高性价比要求。附图说明图1是本专利技术提供的一种大型中高空长航时察打一体无人机飞控系统冗余架构方案中的飞控系统组成框图。图2是本专利技术提供的一种大型中高空长航时察打一体无人机飞控系统冗余架构方案中的余度飞控计算机示意图。图3是本专利技术提供的一种大型中高空长航时察打一体无人机飞控系统冗余架构方案中的余度飞控计算机工作状态迁移图。图4是本专利技术提供的一种大型中高空长航时察打一体无人机飞控系统冗余架构方案中的三余度飞控计算机与外部连接示意图。图5本专利技术提供的一种大型中高空长航时察打一体无人机飞控系统冗余架构方案中的执行机构中气动舵面的冗余设计方案示意图。具体实施方式下面结合附图详细说明本专利技术。图1是本专利技术提供的一种大型中高空长航时察打一体无人机飞控系统冗余架构方案中的飞控系统组成框图，整个飞控系统包括三余度飞控计算机、传感器、执行机构三部分。关键传感器配备一套，包含惯性导航系统，卫星导航、大气数据计算机、风标迎角/侧滑角本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型中高空察打一体无人机飞控系统冗余架构方法，所述的飞控系统，包括飞行传感器、余度飞控计算机和执行机构三个部分，其特征在于：所述的飞控系统冗余构架方法，是对每个部分都进行了相应的冗余设计，飞控计算机部分采用基于FlexRay和Can总线的三余度硬件架构，执行机构部分包括副翼舵机，V尾舵机，前轮转向舵机，风门舵机，油门舵机和螺旋桨调速舵机；其中对飞行传感器系统的冗余设计，采用多系统多频点方案，通过安装非相似的导航设备，经过数据融合，实现传感器信号冗余，具体包括卫星导航、惯性导航、组合导航、大气数据系统、雷达高度表、风标传感器、触地开关、及发动机/燃油/配电/起落架监控；其中对执行机构部分的冗余设计，是通过气动舵面分片设计，伺服系统电气冗余，实现执行机构的余度设计；其中对飞控计算机部分的冗余设计，为三模冗余模式，具体是通过配置三个同样的飞控板卡，运行相近程序，形成相似冗余；底层提供硬件同步，通过FlexRay总线进行板间通信。

【技术特征摘要】
1.一种大型中高空察打一体无人机飞控系统冗余架构方法，所述的飞控系统，包括飞行传感器、余度飞控计算机和执行机构三个部分，其特征在于：所述的飞控系统冗余构架方法，是对每个部分都进行了相应的冗余设计，飞控计算机部分采用基于FlexRay和Can总线的三余度硬件架构，执行机构部分包括副翼舵机，V尾舵机，前轮转向舵机，风门舵机，油门舵机和螺旋桨调速舵机；其中对飞行传感器系统的冗余设计，采用多系统多频点方案，通过安装非相似的导航设备，经过数据融合，实现传感器信号冗余，具体包括卫星导航、惯性导航、组合导航、大气数据系统、雷达高度表、风标传感器、触地开关、及发动机/燃油/配电/起落架监控；其中对执行机构部分的冗余设计，是通过气动舵面分片设计，伺服系统电气冗余，实现执行机构的余度设计；其中对飞控计算机部分的冗余设计，为三模冗余模式，具体是通过配置三个同样的飞控板卡，运行相近程序，形成相似冗余；底层提供硬件同步，通过FlexRay总线进行板间通信。2.根据权利要求1所述的一种大型中高空察打一体无人机飞控系统冗余架构方法，其特征在于：所述的飞行传感器系统的冗余设计，惯性导航方面，采用的是高精度光纤陀螺，使无人机能够实现高精度投掷末制导炸弹；同一个传感器可以提供不同的导航定位定姿信息，相互之间存在冗余备份关系；高度信息源有大气数据系统、卫星导航、雷达高度表；位置信息源有卫星导航、惯性导航；姿态信息源有高精度光纤陀螺、卫星导航系统提供的移动差分姿态。3.根据权利要求1所述的一种大型中高空察打一体无人机飞控系统冗余架构方法，其特征在于：所述气动舵面的分片设计，是将无人机两侧副翼、V尾的舵面各分两片，靠近机体一侧的4片舵面称内侧舵面，远离机体一侧的4片舵面称外侧舵面，如果内侧舵机故障导致舵面...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋文龙，王鹏，杨思亮，石卫东，谭亚男，曾红娟，韩婧怡，卢奕竹，史杨军，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，宁波梅山保税港区景龙投资管理合伙企业有限合伙，
类型：发明
国别省市：北京,11