本发明专利技术基于PowerPC和x86的混合三余度无人机飞控计算机及内核设计方法中硬件包括三个飞控计算机内核单元和余度管理板，三个飞控计算机内核单元以32位处理器MPC565和80486为控制核心，余度管理板由模块间通信电路、高速模拟开关电路、二次电源供电电路组成。三个飞控计算机内核单元共用外部输入、输出接口及设备，在每个控制周期同时采集传感器数据，进行控制律解算，通过模块间通信电路进行数据交换，由监控内核单元根据仲裁算法完成数据有效性仲裁，再通过控制高速模拟开关控制某内核单元输出作为执行机构的控制信号。本发明专利技术用于机载环境下无人机的飞行控制，具有故障检测方便、故障定位准确、数据交换可靠、三机并行时系统性能、稳定性、可靠性均较高的特点。
【技术实现步骤摘要】
:本专利技术涉及，属于无人机飞行控制领域。
技术介绍
:近年来，随着航空和电子技术的迅速发展，无人机的性能突飞猛进，飞行任务日益增多，任务要求越来越苛刻，使得无人机结构更加复杂，从而出现故障的频率也随之增加。飞行控制系统是无人机的重要系统之一，是无人机的控制中心，其可靠性是无人机安全的重要保证，飞控计算机是无人机飞控系统的核心部件，主要由主机、输入输出接口、电源、逻辑电路及通信总线等组成。其功能为周期采集无人机飞行过程中的实时数据、然后进行控制律解算、最后根据控制律解算结果操纵舵机等执行机构控制无人机飞行。飞控计算机的稳定性直接影响飞控系统的可靠性，进而影响无人机的飞行安全以及任务执行能力。因此，设计出高可靠的飞控计算机是提高无人机整体性能的关键要素之一。国内外大量研宄工作表明主要有两种方法可有效提高飞控计算机的可靠性，第一种是选用高质量高可靠性的元器件；第二种是采用余度技术。由于受元器件技术及工艺发展现状所限，选用高质量元器件对提高可靠性具有局限性，目前对可靠性指标要求较高的机型通常采用余度技术进行设计。目前现有的余度技术有二余度、三余度、四余度及以上的飞控计算机，但是增加余度单元的同时增加了系统的复杂程度，会导致系统的出错概率增加，有可能因为设计不当而使系统可靠性下降。另外从余度构型方面讲，主要有相似余度，非相似余度。相似余度是指飞控计算机各个余度单元采用完全相同的硬件平台及控制软件，其各余度通道之间的耦合比较紧密，容易引发共态故障；非相似余度是指不同的通道选用不同的硬件平台及控制软件，但是在飞行过程中，不同的硬件容易发生随机故障。针对以上问题，设计合适的余度构型对提高无人机飞控计算机可靠性是非常有必要的。
技术实现思路
:本专利技术的技术目的是针对目前余度飞控计算机的技术开发现状，提出了。本专利技术采用如下技术方案:一种基于PowerPC和x86的混合三余度无人机飞控计算机，其特征在于:所述基于PowerPC和x86的混合三余度无人机飞控计算机中的硬件包括三个飞控计算机内核单元和余度管理板，所述三个飞控计算机内核单元分别为PowerPC工作单元、x86工作单元、PowerPC监控单元，所述余度管理板包括模块间通信电路、由MAX309高速模拟开关Kl、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9组成的高速模拟开关电路、二次电源供电电路，所述基于PowerPC和x86的混合三余度无人机飞控计算机中的软件包括一个飞控软件子模块以及余度管理模块，所述余度管理模块包括三机同步、数据交叉传输、比较监控及仲裁切换四个部分，所述二次电源供电电路为三个飞控计算机内核单元及余度管理板提供所需电源。进一步地，所述PowerPC工作单元和PowerPC监控单元选用嵌入式芯片MPC565作为核心处理器，所述x86工作单元选用嵌入式芯片80486作为核心处理器。进一步地，所述模块间通信电路采用双口 RAM实现，每两个飞控计算机内核单元间使用一片双口 RAM，从而实现飞控计算机三个内核单元间两两通信。进一步地，所述Kl、K2、K3、K4是模拟量切换开关，K5、K6、K7、K8、K9是数字量切换开关，所述MAX309高速模拟开关的输出固定为三选一模式，根据输入的控制信号，选择三个内核单元的某一单元输出接通。进一步地，所述二次电源供电电路由电源模块及外围滤波电容组成。本专利技术还采用如下技术方案:一种基于PowerPC和x86的混合三余度无人机飞控计算机的内核设计方法，具体包括如下步骤:步骤1:开机运行后，二次电源供电电路为各飞控计算机内核单元及余度管理板提供所需电源，三个飞控计算机内核单元首先进行开机同步和20ms任务周期同步；步骤2:同步完成后，各飞控计算机内核单元实时采集传感器数据并通过模块间通信电路进行数据交叉传输及数据有效性仲裁；步骤3:根据仲裁算法确定合理输入数据后，各飞控计算机内核单元以此输入数据进行控制律解算，解算完成后再次进行数据交叉传输与数据有效性仲裁，由PowerPC监控单元根据仲裁结果，输出相应指令控制高速模拟开关，继而控制飞控计算机内核单元的输出作为执行机构的控制信号。进一步地，所述三机同步采用握手的方法，每个飞控计算机内核单元分别预留三个I/O 口，一个作为输出口 D0，两个作为输入口 DI，其中DO 口用于向其它两个飞控计算机内核单元发送握手信号，两个DI 口接收其它两个飞控计算机内核单元发送的同步握手信号。进一步地，所述数据交叉传输的方法为:在每一次交叉传输数据时，三个飞控计算机内核单元将各自的数据保存在相应的双口 RAM中，并按一定的规则读取其它两个飞控计算机内核单元各阶段的数据。进一步地，所述比较监控的算法为:对以往的数据进行分析，通过概率方法计算出门限值的大致范围，将各飞控计算机内核单元输入输出数据的差值与门限进行比较，继而确定合理数据作为输入输出值，并且通过比较结果监测各内核单元是否发生故障。进一步地，所述仲裁切换由PowerPC监控单元完成，仲裁依据是各飞控计算机内核单元的故障标志位，当仲裁结果认定PowerPC工作单元出现永久故障时，仲裁模块通过切换电路将整个PowerPC工作单元切断，转入使用x86工作单元的计算结果作为输出；当PowerPC工作单元和x86工作单元都出现故障的情况下，使用PowerPC监控单元的计算结果作为输出；当PowerPC监控单元出现故障情况下，切断与PowerPC监控单元的数据传输，默认使用当前单元输出，从而实现了故障容错处理。本专利技术具有如下有益效果:(I)采用混合余度结构设计，有效避免了单一相似余度结构存在的共态故障问题以及单一非相似余度结构存在的随机故障问题；(2)采用跨通道比较监控方法可以很方便地监测并屏蔽故障；(3)采用插拔式的模块化结构形式，飞控计算机内核相互独立，便于维护、调试和更换；(4)三个飞控计算机内核形成了真正的三通道并行热备份余度机制，可实现“故障一工作一故障一安全”的余度等级，有效提高了飞控计算机的整体可靠性。【附图说明】:图1是本专利技术的系统结构原理框图。图2是监控单元周期同步算法流程图。图3是监控单元数据交叉传输算法流程图。图4是比较监控算法流程图。【具体实施方式】:下面通过实例，结合附图，对本专利技术的技术方案进行进一步具体说明。请参照图1所示，本专利技术基于PowerPC和x86的混合三余度无人机飞控计算机硬件主要包括三个飞控计算机内核单元和余度管理板，其中三个飞控计算机内核单元分别为PowerPC工作单元1、χ86工作单元2、PowerPC监控单元3，余度管理板包括模块间通信电路4、高速模拟开关电路5 (由MAX309高速模拟开关K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9组成，其中K1、K2、K3、K4是模拟量切换开关，K5、K6、K7、K8、K9是数字量切换开关)、二次电源供电电路6。软件主要包括飞控软件的一个子模块以及余度管理模块，其中余度管理模块包括三机同步、数据交叉传输、比较监控及仲裁切换四个部分。其中三个飞控计算机内核单元共用外部输入、输出接口电路及设备，在每个控制周期当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于PowerPC和x86的混合三余度无人机飞控计算机，其特征在于：所述基于PowerPC和x86的混合三余度无人机飞控计算机中的硬件包括三个飞控计算机内核单元和余度管理板，所述三个飞控计算机内核单元分别为PowerPC工作单元(1)、x86工作单元(2)、PowerPC监控单元(3)，所述余度管理板包括模块间通信电路(4)、由MAX309高速模拟开关K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9组成的高速模拟开关电路(5)、二次电源供电电路(6)，所述基于PowerPC和x86的混合三余度无人机飞控计算机中的软件包括一个飞控软件子模块以及余度管理模块，所述余度管理模块包括三机同步、数据交叉传输、比较监控及仲裁切换四个部分，所述二次电源供电电路(6)为三个飞控计算机内核单元及余度管理板提供所需电源。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李志宇，杨蕊姣，高艳辉，肖莉萍，张勇，郭剑东，刘蓉，杨柳庆，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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