一种三IMU冗余技术的飞控方法和系统与流程

本发明涉及无人机领域，特别是涉及一种三imu冗余技术的飞控方法和系统。

背景技术：

无人驾驶飞机简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。目前，随着科技的发展，无人机技术日趋成熟，无人机以其速度快、操作灵活的特点被广泛应用。从某种角度来看，无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务，可以被看做是“空中机器人”。

无人机飞控是指能够稳定无人机飞行姿态，并能控制无人机自主或半自主飞行的控制系统，是无人机的大脑。飞控系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统，飞控对于无人机相当于驾驶员对于有人机的作用，我们认为是无人机最核心的技术之一。如若无人机飞行控制系统发生故障，会导致无人机瞬间信号丢失，出现炸机现象。

无人机的的飞控系统是无人机的核心控制大脑，负责整个无人机飞行过程的控制，一旦出现故障将导致坠机或产生非常严重的后果。因此非常有必要对无人机的飞控系统进行冗余备份，常规的备份分为双冗余热备份，这种备份机制速度较慢，稳定性不够好等缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种三imu冗余技术的飞控方法和系统，能够有效地避免或减少了因飞控系统故障导致的无人机失控现象的产生，有效的保障了无人机的飞行安全，改变了常规的飞控稳定性差等缺陷，解决无人机飞控系统的应急备份问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种三imu冗余技术的飞控系统，包括自检测cpu单元、三imu冗余单元、三冗余表决输出单元和飞行动作控制单元，所述自检测cpu单元实时接收来三imu冗余单元实时传输的数据，并且针对接收到的数据包进行解析，所述三冗余表决输出单元接收自检测cpu单元处理过的数据及飞行参数并进行表决，所述飞行动作控制单元接收三冗余表决单元传输来的飞行参数，并将飞行参数转换成电信号后执行动作。

进一步的是，所述三imu冗余单元包括3个imu单元、3个gps和3个气压高度计，所述imu单元包括加速度计、速度传感器和两个a/d转换器，所述加速度计用来感受飞机相对于地垂线的加速度分量，所述速度传感器用来感受飞机的角度信息，所述a/d转换器将imu各个传感器收集到的模拟变量，转换为数字信息后经过cpu计算后最后输出飞机俯仰角度、倾斜角度与侧滑角度。

进一步的是，所述自检测cpu单元包括飞控计算机模块和自检测模块，所述飞控计算机模块对imu单元传送来的数据进行计算，根据计算结果得到相应的飞行参数；传输飞行参数的数据给自检测模块，也接收自检测模块回传来的数据并进行解析；所述自检测模块将飞控计算机模块解析得到的imu单元数据及飞行参数与预置的飞行参数进行比对，并根据比对结果做表决，如果比对结果一致，则确认设备正常；如果不一致则进行报警，同时进行故障检测并隔离。

进一步的是，所述三冗余表决输出单元包括数据接收单元和三余度表决器，所述三冗余表决输出单元接收飞控计算机模块处理过的数据及飞行参数，并将控制指令发送到三余度表决器，由三余度表决器进行表决后输出。

进一步的是，所述飞行作动控制单元包括飞行器电调和飞行器电机，所述飞行作动控制单元接收三冗余表决单元传输来的经过验证的飞行参数，并将参数转换成电信号通过飞行器电调和飞行器电机执行动作。

一种三imu冗余技术的飞控方法和系统，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：自检测cpu单元与每个imu单元进行数据交互，根据三个imu单元传回的数据识别出数据设备来源，将三组imu单元数据进行实时传输；

步骤二：所述三冗余表决输出单元接收自检测cpu单元处理过的数据及飞行参数并进行表决；

步骤三：所述飞行动作控制单元接收三冗余表决单元传输来的飞行参数，并将飞行参数转换成电信号后执行动作。

进一步的是，所述步骤一三imu冗余单元采用了粒子群算法，来实现不同imu和不同计算机余度之间的故障隔离，即一个控制单元设备故障后不会影响到其他的工作。

进一步的是，所述粒子群算法如下：

每个粒子的初始位置是随机的，设输入向量x＝(x1,x2,...,xn)t必须满足参数范围限制为：xmin＝(xmin(1),xmin(2),...xmin(n))，xmax＝(xmax(1),xmax(2),...xmax(n))则输入向量x应满足xmin<x<xmax每个粒子的初速度定为0，即v0＝0第j个粒子(1≤j≤m)的下一次迭代的速度

v(j)＝w·v0+c1·rand·(p(j)-x(j))+c2·rand·(pg-x(j))

自检测cpu单元数据比对结果一致，则确定各个imu均处于正常状态；若其中一个imu单元与imu单元的数据不一致，则认为该imu单元设备出现了故障，并进行故障隔离，即一个控制单元设备故障后不会影响到其他的工作。

进一步的是，所述步骤一自检测cpu单元传送的数据包括加速度传感器信息、三个速度传感器信息、gps采集的卫星数据、气压高度计测量的高度信息。

本发明的有益效果是：本发明的一种三imu冗余技术的飞控方法和系统，能够有效地避免或减少了因飞控系统故障导致的无人机失控现象的产生，有效的保障了无人机的飞行安全，改变了常规的飞控稳定性差等缺陷，解决无人机飞控系统的应急备份问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种三imu冗余技术的飞控方法和系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

以及，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1，本发明实施例包括：一种三imu冗余技术的飞控系统，包括自检测cpu单元、三imu冗余单元、三冗余表决输出单元和飞行动作控制单元，所述自检测cpu单元实时接收来三imu冗余单元实时传输的数据，并且针对接收到的数据包进行解析，所述三冗余表决输出单元接收自检测cpu单元处理过的数据及飞行参数并进行表决，所述飞行动作控制单元接收三冗余表决单元传输来的飞行参数，并将飞行参数转换成电信号后执行动作。

进一步的是，所述三imu冗余单元包括3个imu单元、3个gps和3个气压高度计，所述imu单元包括加速度计、速度传感器和两个a/d转换器，所述加速度计用来感受飞机相对于地垂线的加速度分量，所述速度传感器用来感受飞机的角度信息，所述a/d转换器将imu各个传感器收集到的模拟变量，转换为数字信息后经过cpu计算后最后输出飞机俯仰角度、倾斜角度与侧滑角度。

进一步的是，所述自检测cpu单元包括飞控计算机模块和自检测模块，所述飞控计算机模块对imu单元传送来的数据进行计算，根据计算结果得到相应的飞行参数；传输飞行参数的数据给自检测模块，也接收自检测模块回传来的数据并进行解析；所述自检测模块将飞控计算机模块解析得到的imu单元数据及飞行参数与预置的飞行参数进行比对，并根据比对结果做表决，如果比对结果一致，则确认设备正常；如果不一致则进行报警，同时进行故障检测并隔离。

进一步的是，所述三冗余表决输出单元包括数据接收单元和三余度表决器，所述三冗余表决输出单元接收飞控计算机模块处理过的数据及飞行参数，并将控制指令发送到三余度表决器，由三余度表决器进行表决后输出。

进一步的是，所述飞行作动控制单元包括飞行器电调和飞行器电机，所述飞行作动控制单元接收三冗余表决单元传输来的经过验证的飞行参数，并将参数转换成电信号通过飞行器电调和飞行器电机执行动作。

一种三imu冗余技术的飞控方法和系统，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：自检测cpu单元与每个imu单元进行数据交互，根据三个imu单元传回的数据识别出数据设备来源，将三组imu单元数据进行实时传输；所述imu冗余单元采用了粒子群算法，来实现不同imu和不同计算机余度之间的故障隔离，即一个控制单元设备故障后不会影响到其他的工作，所述粒子群算法如下：

每个粒子的初始位置是随机的，设输入向量x＝(x1,x2,...,xn)t必须满足参数范围限制为：xmin＝(xmin(1),xmin(2),...xmin(n))，xmax＝(xmax(1),xmax(2),...xmax(n))则输入向量x应满足xmin<x<xmax每个粒子的初速度定为0，即v0＝0第j个粒子(1≤j≤m)的下一次迭代的速度

v(j)＝w·v0+c1·rand·p(j)-x(j))+c2·rand·(pg-x(j)

自检测cpu单元数据比对结果一致，则确定各个imu单元均处于正常状态；若其中一个imu单元与imu单元的数据不一致，则认为该imu单元设备出现了故障，并进行故障隔离，即一个控制单元设备故障后不会影响到其他的工作

步骤二：所述三冗余表决输出单元接收自检测cpu单元处理过的数据及飞行参数并进行表决；

步骤三：所述飞行动作控制单元接收三冗余表决单元传输来的飞行参数，并将飞行参数转换成电信号后执行动作。

进一步的是，所述步骤一自检测cpu单元传送的数据包括加速度传感器信息、三个速度传感器信息、gps采集的卫星数据、气压高度计测量的高度信息。

使用粒子群算法来实现不同imu和不同计算机余度之间的故障隔离，即一个控制单元设备故障后不会影响到其他的工作。系统中任何一个控制单元设备发生故障，都不会导致故障蔓延，其余两个单元可进行无缝切换接管，继续提供双冗余布置。在极端条件应用中，如果剩余的双冗余系统中的一个出现运行故障，则同样由另一个无缝切换接管。该三余度飞控系统内部的传感器状态、cpu状态实时进行监控，能够在飞行过程中出现突发情况后进行相应的故障处置，进一步确保飞行安全。由于三余度飞控系统控制量由cpu计算得到，自检测cpu单元模块内部使用独立的时钟，随着运行时间的增加，相互独立的模块输出的指令必然会由于积分器作用产生不可接受的漂移，我们采用三余度自检测cpu单元同步，使得控制量解算的积分部分步长相同，确保三个余度的指令不会因为积分漂移被误表决而影响飞行安全。

三冗余飞控系统在工作中，自检测cpu单元对每个imu单元都要运行相同的任务。自检测cpu单元同时接收三个imu冗余单元的数据，自检测cpu单元内部我们通过表决算法选择传感器信号输入，同时运行监控算法对imu单元实现故障检测并隔离。每个imu单元的数据传送给飞控计算机，并对数据进行解析并将控制指令最终发送到三余度表决器，由表决器进行表决后输出。

本发明能够有效地避免或减少了因飞控系统故障导致的无人机失控现象的产生，有效的保障了无人机的飞行安全，改变了常规的飞控稳定性差等缺陷，解决无人机飞控系统的应急备份问题。

在三冗余飞控系统中，我们称单个控制单元设备报错为1次故障，2个控制单元设备报错为2次故障，并以此类推。三冗余飞控系统要求实现1次故障时还能够正常执行飞行任务，2次故障时系统安全降级，但仍能保证安全飞行。

此外，需要说明的是，在本说明书中，“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。