基于仲裁机制的相似双余度飞控计算机及冗余控制方法
【专利摘要】本发明公开了基于仲裁机制的相似双余度飞控计算机及冗余控制方法，属于无人机飞行控制的【技术领域】。本发明通过引入独立的单片机仲裁单元，利用仲裁算法实现对飞控计算机内核的性能监控和故障检测，并进行余度管理，减小了余度飞控计算机的成本、体积、重量，相对独立的系统结构避免了故障时的相互干扰，能够有效抑制系统的单点故障，提高了飞控计算机的整体可靠性。
【专利说明】基于仲裁机制的相似双余度飞控计算机及冗余控制方法
【技术领域】
[0001]本发明公开了基于仲裁机制的相似双余度飞控计算机及冗余控制方法，属于无人机飞行控制的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]近年来随着航空技术的飞速发展，无人机整体性能得到了大幅提升，用途日益广泛。与此同时，任务时间的大幅延长和功能的日益复杂使得飞控系统故障率也随之提高。无人机(UAV, Unmanned Aerial Vehicles)飞控系统是无人机平台的关键分系统之一,其核心单元是飞控计算机，它是无人机的“指挥控制中心”，其主要功能为采集、输入无人机各种飞行参数信息、进行控制律解算，并按照设定的控制逻辑产生相应的指令，继而完成对无人机的飞行控制功能，实现对机载任务设备的调度与管理，保证无人机任务及时、可靠的完成。
[0003]飞控计算机硬件部分以电子元件为主，目前中、大规模的集成电路得到了广泛应用。但是受当前元器件的制造工艺水平限制，基本元器件的可靠性无法满足飞控计算机对可靠性的要求。在这种状况下，余度技术应运而生。余度技术是从系统结构方面提高飞控计算机的可靠性，其实质是利用多余的硬件资源来换取整个系统任务可靠性的提高。
[0004]经过长期的实践探索，人们对于飞控计算机的余度形式提出了很多解决方案。基于表决机制的多余度结构和主从机制的双余度结构为目前提高可靠性的主要方法。多余度形式一般需要至少三台飞控计算机同时工作，判断结果采用少数服从多数的机制，其应用最广泛。该方法优点是故障检测精度高，对系统模型无具体要求。但这种结构形式也带来了体积大、重量重、能耗和成本高等一系列无法避免的问题，且从硬件结构上来说至少需要三台飞控计算机同时工作，对软件设计、时序匹配有极高的要求。
[0005]事实上，随着飞控计算机性能及单机可靠性的不断提高，双余度结构在未来的无人机小型化设计中将会占有越来越大的比重。双余度设计较好的解决了多余度体积大、结构复杂的问题，但由于现有双余度技术多是基于主从机制，导致了系统故障覆盖率较低、控制权限分配不明确，仲裁缺乏合理、公正性。因此设计一种故障覆盖率较高、能够实现真正并行机制的无人机双余度飞控计算机，对提高飞控系统可靠性和无人机小型化设计开发具有较大的工程应用价值。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了基于单片机仲裁机制的相似双余度飞控计算机及冗余控制方法。
[0007]本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
[0008]基于仲裁机制的相似双余度飞控计算机，包括第一、第二内核，通信电路、单片机仲裁单元、高速切换开关电路，其中:
[0009]所述第一、第二内核分别采集无人机状态信息并解算控制律得到飞行控制信号；
[0010]所述通信电路在第一、第二内核完成自检后将表征飞机可靠性的参数传输给单片机仲裁单元；
[0011]所述单片机仲裁单元通过检测表征内核可靠性的状态量、比较两个内核输出的飞行控制信号与其预估值的差异性大小发现故障内核，实施余度管理；
[0012]所述高速切换开关电路在单片机仲裁单元的余度管理下，输出无故障内核的飞行控制信号，继而控制执行机构动作。
[0013]进一步的，作为所述相似双余度飞控计算机的进一步优化方案，所述单片机仲裁单元选用TI公司的MSC1212芯片。
[0014]进一步的，作为所述相似双余度飞控计算机的进一步优化方案，所述高速切换开关选用AD公司的ADG1634芯片。
[0015]冗余控制方法，通过所述相似双余度飞控计算机实现，单片机仲裁单元在两个内核自检正常时，通过数据仲裁算法实现对飞控计算机内核数据的实时故障检测，并进行余度管理，具体包括如下步骤:
[0016]步骤1，每个内核采集并解算连续周期内的无人机状态信息后发送给单片机仲裁单元，单片机仲裁单元将状态信息曲线局部线性化，并利用最小二乘法对状态曲线进行分段最佳逼近，再由前k个连续采样周期采集的无人机状态变量实际值得到第k+Ι采样时刻的预估值，为方便计算并保持一定的拟合精度，k取值为大于2且小于10的整数；
[0017]步骤2，在两个内核采集或解算的无人机状态量差值大于门限值时，分别比较各内核的数据以及对下一控制周期的预估值，仲裁单元判定本周期数据与下一周期预估值差异性较大的内核为故障内核；
[0018]步骤3，单片机仲裁单元发送切换指令至两个内核，并控制高速切换开关实施输出切换，备用内核替代故障内核继续输出飞行控制信号。
[0019]本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果:减小了余度飞控计算机的成本、体积、重量；引入独立的仲裁单元，系统内部耦合性低，避免了故障时的相互干扰，能够有效抑制系统的单点故障；提高了飞控计算机的整体可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是系统仲裁的软件流程图。
[0021]图2是仲裁算法的软件流程图。
[0022]图3是本发明的系统结构原理框图。
[0023]图4是本发明的电路原理框图。
[0024]图5是真值曲线与预估值曲线的比较图。
[0025]图中标号说明:1、第一内核，2、第二内核，3、单片机仲裁单元，4、通信电路，5、高速切换开关电路。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明:
[0027]基于仲裁机制的相似双余度飞控计算机如图3、4所示:硬件主要包括飞控计算机内核1、2，单片机仲裁单元3，通信电路4，高速切换开关电路5 (由ADG1634高速模拟开关K1、K2、K3、K4、K5、K6 组成)。[0028]内核由MPC565核心处理器、串口芯片、A/D、D/A和存储器等扩展资源组成。在系统结构设计时，仅对飞控计算机内核进行冗余，由两个硬件结构完全相同的内核通道组成并行双机热备份系统。
[0029]单片机仲裁单元选用TI公司的MSC1212，用于输出切换电路的高速模拟开关选用AD公司的ADG1634，就处理性能和可靠性而言，这两款芯片均是较理想的选择。单片机仲裁单元3至少需12路I/O通道和两个串行接口，分别与第一、第二内核1、2进行通信。
[0030]系统运行后，第一内核I和第二内核2实时采集无人机状态信息，并解算控制律输出；经自检后，将表征飞控计算机内核可靠性的参数经模块间通信电路4传输给单片机仲裁单元3，单片机仲裁单元3运用仲裁算法对参数进行判断，明确此刻负责输出的飞控计算机内核是否处于可靠控制阶段。若当前飞控计算机内核故障，且另一内核工作正常，则输出切换信号，这些控制信号使高速切换开关电路5的输出由A切换为B，系统最终负责输出的内核通道由飞控计算机第一内核I变为第二内核2。
[0031]冗余控制方法如图1、图2所示，单片机仲裁单元通过仲裁算法实现对飞控计算机内核的性能监控和故障检测，并进行余度管理，具体包括如下步骤:
[0032]步骤1，每个内核采集并解算连续周期内的无人机状态信息后发送给单片机仲裁单元，单片机仲裁单元将状态信息曲线局部线性化，并利用最小二乘法对状态曲线进行分段最佳逼近，再由前k个连续采样周期采集的无人机状态变量实际值得到第k+Ι采样时刻的预估值，为方便计算并保持一定的拟合精度，k取值为大于2且小于10的整数；
[0033]最小二乘法的原理是以线性二次型曲线对目标曲线进行分段最佳逼近，使曲线上各点的真实值与估计值均方误差最小，
【权利要求】
1.基于仲裁机制的相似双余度飞控计算机，包括第一、第二内核，其特征在于:所述相似双余度飞控计算机还包括:通信电路、单片机仲裁单元、高速切换开关电路，其中: 所述第一、第二内核分别采集无人机状态信息并解算控制律得到飞行控制信号； 所述通信电路在第一、第二内核完成自检后将表征飞机可靠性的参数传输给单片机仲裁单元； 所述单片机仲裁单元通过检测表征内核可靠性的状态量、比较两个内核输出的飞行控制信号与其预估值的差异性大小发现故障内核，实施余度管理； 所述高速切换开关电路在单片机仲裁单元的余度管理下，输出无故障内核的飞行控制信号，继而控制执行机构动作。
2.根据权利要求1所述的相似双余度飞控计算机，其特征在于:所述单片机仲裁单元选用TI公司的MSC1212芯片。
3.根据权利要求1或2所述的相似双余度飞控计算机，其特征在于:所述高速切换开关选用AD公司的ADG1634芯片。
4.冗余控制方法，利用权利要求1或2或3所述的相似双余度飞控计算机实现，其特征在于:单片机仲裁单元在两个内核自检正常时，通过数据仲裁算法实现对飞控计算机内核数据的实时故障检测，并进行余度管理，具体包括如下步骤: 步骤I，每个内核采集并解算连续周期内的无人机状态信息后发送给单片机仲裁单元，单片机仲裁单元将状态信息曲线局部线性化，并利用最小二乘法对状态曲线进行分段最佳逼近，再由前k个连续采样周期采集的无人机状态变量实际值得到第k+Ι采样时刻的预估值，为方便计算并保持一定的拟合精度，k值取为大于2且小于10的整数； 步骤2，在两个内核采集或解算的无人机状态量差值大于门限值时，分别比较各内核的数据以及对下一控制周期的预估值，仲裁单元判定本周期数据与下一周期预估值差异性较大的内核为故障内核； 步骤3，单片机仲裁单元发送切换指令至两个内核，并控制高速切换开关实施输出切换，备用内核替代故障内核继续输出飞行控制信号。
【文档编号】G05B9/03GK103823362SQ201410052573
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月17日 优先权日:2014年2月17日
【发明者】李志宇, 居晓, 高艳辉 申请人:南京航空航天大学