一种基于集中式多余度的多旋翼无人机飞控系统及多旋翼无人机技术方案

本发明专利技术公开了一种基于集中式多余度的多旋翼无人机飞控系统及多旋翼无人机，包括多个冗余裁决计算机、多个飞控计算单元以及多组总线。其中，每个飞控计算单元包括一个飞控计算机，多个IMU，多个磁罗盘，多个气压计以及多个GPS模块。冗余裁决计算机负责采集所有飞控计算机输出的PWM信号的数值，并根据PWM值分析决策选出最优的飞控计算单元，将该飞控计算单元中飞控计算机的PWM值封装数据包通过总线发送到电机驱动器对电机进行控制。本发明专利技术通过传感器、飞控计算机、冗余裁决计算机以及总线的多冗余结构，使得本发明专利技术具有更强的容灾容错性能，提高了无人机安全性与稳定性。提高了无人机安全性与稳定性。提高了无人机安全性与稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于集中式多余度的多旋翼无人机飞控系统及多旋翼无人机


[0001]本专利技术涉及无人机领域，尤其涉及一种基于集中式多余度的多旋翼无人机飞控系统及多旋翼无人机。

技术介绍

[0002]现阶段，无人机应用的场景越来越广泛，比如城市空中交通，电力巡检，航拍航测，物流快递，消防救援等。飞控系统对于多旋翼无人机来说，是至关重要的，飞控系统在无人机飞行过程中一旦失效，无人机的飞行任务将无法完成甚至导致坠机。现阶段，大多数飞控系统采用了一个飞控计算机多套传感器冗余的架构，缺少对飞控计算机的冗余。现在大多数余度飞控系统用到总线的地方，多数为单总线设计，如果总线出现故障会对无人机带来灾难性的后果。现大多数集中式余度飞控系统含有单个余度决策模块。例如申请号为202110591136.4的中国专利技术专利中公开了一种无人机的多余度仲裁切换方法、系统及计算机设备，该专利技术中含有TX2系统决策模块，一旦当TX2系统决策模块出现故障，整个飞控系统将出现单点失效故障，将无法正常运行。故有效解决集中式余度飞控系统单点失效的问题，以及提高无人机飞行安全与稳定性的新方法是亟需的。

技术实现思路

[0003]针对于现有技术上的一些不足，本专利技术提出了一种基于集中式多余度的多旋翼无人机飞控系统及多旋翼无人机。
[0004]本专利技术的目的是通过采用以下技术方案来实现的：一种基于集中式多余度的多旋翼无人机飞控系统，所述的基于集中式多余度的多旋翼无人机飞控系统包括多个冗余裁决计算机、多个飞控计算单元和多组总线；所述的冗余裁决计算机的输入端与所有飞控计算机的输出端连接；所述的冗余裁决计算机的输出端与对应顺序的总线连接；所有飞控计算单元结构相同，均包括飞控计算机以及N个IMU、N个磁罗盘、N个气压计、N个GPS模块和一个数传电台，其中所述N个IMU、N个磁罗盘、N个气压计、N个GPS模块和一个数传电台都与所述飞控计算机相连，N为自然数且N≥3；数传电台接收远程地面站发送的位置指令、高度指令和航向指令，IMU获取多旋翼无人机的加速度和角速度信息，磁罗盘获取多旋翼无人机的磁场信息，气压计获取多旋翼无人机的高度信息，GPS模块获取多旋翼无人机的位置和速度信息，所述加速度和角速度信息、磁场信息、高度信息、位置和速度信息组成传感器数据；飞控计算机根据传感器数据以及远程地面站发送的位置指令、高度指令和航向指令得到PWM信号，然后通过多路I/O接口发送给冗余裁决计算机；电机驱动器的输入端与所有总线分别连接，电机驱动器的输出端与电机相连；冗余裁决计算机采集所有飞控计算机多路PWM信号的数值并对所有的PWM数据进行比对裁决得到最优飞控计算单元，将最优飞控计算单元飞控计算机的PWM信号数值打包后通过总线发送给电机驱动器，电机驱动器对接收到的多个PWM数据包进行解析比对，选出最优PWM信号，利用该PWM信号控制电机运行，从而控制无人机飞
行。
[0005]进一步地，所述的IMU包括加速度计和陀螺仪。
[0006]具体地，所述的冗余裁决计算机采集所有飞控计算机多路PWM信号的数值，具体为：飞控计算机通过多路I/O接口将多路PWM信号发送给冗余裁决计算机，冗余裁决计算机通过捕获的方式进行采集每路PWM信号的数值，当PWM信号上升沿到来时，冗余裁决计算机定时器开始计时，当该PWM信号下降沿到来时停止计时，从所述定时器计时开始到停止计时的时长为PWM信号高电平的时间，也就是PWM信号的数值大小。
[0007]具体地，所述飞控计算机根据传感器数据以及远程地面站发送的位置指令、高度指令和航向指令得到PWM信号具体包括以下步骤：
[0008](1)远程地面站将位置指令、高度指令以及航向指令通过数传发送到飞控计算机，所述的位置指令包括X方向位置指令和Y方向位置指令；
[0009](2)飞控计算机将高度指令与无人机当前高度通过比例
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微分控制计算得到期望的无人机Z方向速度；再将期望的无人机Z方向速度与无人机当前Z方向速度进行比例
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微分控制计算得到无人机高度控制量；
[0010](3)飞控计算机根据角速度、加速度以及磁罗盘的磁力值，通过互补滤波算法得到无人机的滚转角、俯仰角和航向角；
[0011](4)飞控计算机将航向指令与步骤(3)得到的航向角通过比例
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微分控制计算得到期望的无人机航向角速度；再将期望的无人机航向角速度与无人机当前的航向角速度进行比例
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微分控制计算得到无人机航向通道控制量；
[0012](5)飞控计算机将X方向位置指令与无人机当前X方向位置通过比例
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微分控制计算得到期望的无人机X方向速度；然后将期望的无人机X方向速度与无人机当前X方向速度进行比例
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微分控制计算得到期望的无人机俯仰姿态；将期望的无人机俯仰姿态与步骤(3)得到的俯仰角通过比例
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微分控制计算得到期望的无人机俯仰角速度，再将期望的无人机俯仰角速度与无人机当前的俯仰角速度进行比例
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微分控制计算得到无人机俯仰通道控制量；
[0013](6)飞控计算机将地面站Y方向位置指令与无人机当前Y方向位置通过比例
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微分控制计算得到期望的无人机Y方向速度；然后将期望的无人机Y方向速度与无人机当前Y方向速度进行比例
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微分控制计算得到期望的无人机横滚姿态；将期望的无人机横滚姿态与步骤(3)得到的横滚角通过比例
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微分控制计算得到期望的无人机横滚角速度，再将期望的无人机横滚角速度与无人机当前横滚角速度进行比例
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微分控制计算得到无人机横滚通道控制量；
[0014](7)飞控计算机将无人机高度控制量、航向控制量、俯仰控制量以及横滚控制量进行控制分配，得出每个电机需要的控制量，从而得到每个电机需要输出的PWM信号数值。
[0015]具体地，所述通过比例
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微分控制计算得到期望的无人机Z方向速度，所述比例
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微分控制计算公式为：
[0016][0017]其中，m(t)为比例
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微分控制计算的结果，e(t)为期望值与实际值的差，dt为每两次控制计算时间差，K
p
为比例系数，Ki为积分系数，K
d
为微分系数；再将期望的无人机Z
方向速度与无人机当前Z方向速度进行比例
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微分控制计算得到无人机高度控制量Dh。
[0018]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于集中式多余度的多旋翼无人机飞控系统，其特征在于，所述的基于集中式多余度的多旋翼无人机飞控系统包括多个冗余裁决计算机、多个飞控计算单元和多组总线；所述的冗余裁决计算机的输入端与所有飞控计算机的输出端连接；所述的冗余裁决计算机的输出端与对应顺序的总线连接；所有飞控计算单元结构相同，均包括飞控计算机以及N个IMU、N个磁罗盘、N个气压计、N个GPS模块和一个数传电台，其中所述N个IMU、N个磁罗盘、N个气压计、N个GPS模块和一个数传电台都与所述飞控计算机相连，N为自然数且N≥3；数传电台接收远程地面站发送的位置指令、高度指令和航向指令，IMU获取多旋翼无人机的加速度和角速度信息，磁罗盘获取多旋翼无人机的磁场信息，气压计获取多旋翼无人机的高度信息，GPS模块获取多旋翼无人机的位置和速度信息，所述加速度和角速度信息、磁场信息、高度信息、位置和速度信息组成传感器数据；飞控计算机根据传感器数据以及远程地面站发送的位置指令、高度指令和航向指令得到PWM信号，然后通过多路I/O接口发送给冗余裁决计算机；电机驱动器的输入端与所有总线分别连接，电机驱动器的输出端与电机相连；冗余裁决计算机采集所有飞控计算机多路PWM信号的数值并对所有的PWM数据进行比对裁决得到最优飞控计算单元，将最优飞控计算单元飞控计算机的PWM信号数值打包后通过总线发送给电机驱动器，电机驱动器对接收到的多个PWM数据包进行解析比对，选出最优PWM信号，利用该PWM信号控制电机运行，从而控制无人机飞行。2.根据权利要求1所述的一种基于集中式多余度的多旋翼无人机飞控系统，其特征在于，所述的IMU包括加速度计和陀螺仪。3.根据权利要求1所述的一种基于集中式多余度的多旋翼无人机飞控系统，其特征在于，所述的冗余裁决计算机采集所有飞控计算机多路PWM信号的数值，具体为：飞控计算机通过多路I/O接口将多路PWM信号发送给冗余裁决计算机，冗余裁决计算机通过捕获的方式进行采集每路PWM信号的数值，当PWM信号上升沿到来时，冗余裁决计算机定时器开始计时，当该PWM信号下降沿到来时停止计时，从所述定时器计时开始到停止计时的时长为PWM信号高电平的时间，也就是PWM信号的数值大小。4.根据权利要求1所述的一种基于集中式多余度的多旋翼无人机飞控系统，其特征在于，所述飞控计算机根据传感器数据以及远程地面站发送的位置指令、高度指令和航向指令得到PWM信号具体包括以下步骤：(1)远程地面站将位置指令、高度指令以及航向指令通过数传发送到飞控计算机，所述的位置指令包括X方向位置指令和Y方向位置指令；(2)飞控计算机将高度指令与无人机当前高度通过比例
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微分控制计算得到期望的无人机Z方向速度；再将期望的无人机Z方向速度与无人机当前Z方向速度进行比例
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微分控制计算得到无人机高度控制量；(3)飞控计算机根据角速度、加速度以及磁罗盘的磁力值，通过互补滤波算法得到无人机的滚转角、俯仰角和航向角；(4)飞控计算机将航向指令与步骤(3)得到的航向角通过比例
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微分控制计算得到期望的无人机航向角速度；再将期望的无人机航向角速度与无人机当前的航向角速度进行比例
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微分控制计算得到无人机航向通道控制量；(5)飞控计算机将X方向位置指令与无人机当前X方向位置通过比例
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微分控制计算得到期望的无人机X方向速度；然后将期望的无人机X方向速度与无人机当前X方向速度
进行比例
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微分控制计算得到期望的无人机俯仰姿态；将期望的无人机俯仰姿态与步骤(3)得到的俯仰角通过比例
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微分控制计算得到期望的无人机俯仰角速度，再将期望的无人机俯仰角速度与无人机当前的俯仰角速度进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢安桓，王晓波，胡易人，严旭飞，韩晓佳，朱世强，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：