[實用新型]一種無人機及多傳感器三余度飛行控制裝置

有效

• 申請號: 202023004407.1
• 申請日: 2020-12-14
• 公開（公告）號: CN213987268U
• 公開（公告）日: 2021-08-17
• 發明（設計）人: 張斐
• 申請（專利權）人: 一飛（海南）科技有限公司
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 天津市宗欣專利商標代理有限公司 12103
• 代理人: 董光仁

本實用新型屬于無人機控制技術領域，公開了一種無人機及多傳感器三余度飛行控制裝置，用于檢測無人機在載體坐標系中的三軸加速度的三軸加速度計；用于檢測無人機相對于導航坐標系的角速度信息的三軸陀螺儀；用于檢測飛機附近的地磁場方向，獲得飛機航向信息的磁力計；用于融合三軸加速度計、三軸陀螺儀、磁力計數據進行無人機運動狀態估計和控制的控制芯片。用于對傳感器原始數據進行初步解算；利用融合加速度計、陀螺儀和磁力計的數據，解算出飛機當前的俯仰角、橫滾角和航向角姿態信息的預處理芯片。本實用新型解無法檢測出傳感器軟故障的問題，提高了無人機飛行控制系統的穩定性和可靠性。

技術領域

本實用新型屬于無人機控制技術領域，尤其涉及一種無人機及多傳感器三余度飛行控制裝置。

背景技術

目前，無人機是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機，其中飛行控制系統是無人機中最核心的部分。

無人機飛行控制系統通過收集各個傳感器的信息來對飛機的位置、速度和姿態等運動狀態信息進行濾波和估計，同時利用這些信息對無人機進行控制，從而實現飛機的手動和自動飛行，完成預設的各項任務。

其中，慣性測量單元(InertialMeasurementUnit，IMU)和磁力計是無人機飛行控制系統中非常重要的傳感器設備。IMU中包含一個三軸的加速度計和一個三軸的陀螺儀，加速度計用于檢測無人機在載體坐標系中的三軸的加速度，陀螺儀用于檢測無人機相對于導航坐標系的角速度信息。磁力計用于檢測飛機附近的地磁場方向，從而獲得飛機的航向信息。通過對IMU和磁力計信息的融合和處理，無人機飛控可以解算出飛機的姿態信息，對于飛機進行飛行控制至關重要。一旦其中某個傳感器出現故障，無人機將失去控制，無法正常工作。

現有的無人機為了避免傳感器故障導致的飛機失控，通常會對IMU和磁力計進行多余度的冗余備份，一旦出現傳感器故障，則切換到備份，提高系統的穩定性。

一般的多冗余系統，通常采用同類型傳感器原始數據相互對比的方式，投票選擇出沒有故障的器件參與后續的計算。但是作為冗余的主備份傳感器，通常使用不同型號的器件。他們有時具有不同的數據輸出頻率。通常他們也位于同一總線上，或缺少數據同步的機制。所以對于傳感器的原始數據，投票模塊難以做出有效的比較。僅能夠根據一些簡單的故障指標選擇最優傳感器，檢測出如數據中斷等類型的“硬故障”。但此類故障通常很少發生，更多的則是如信號混疊、削波和漂移的“軟故障”，通過對比原始數據的方法難以進行診斷。

通過上述分析，現有技術存在的問題及缺陷為：傳感器原始數據難以進行有效比較，且提高多余度傳感器投票算法對傳感器軟故障檢測能力不高，導致無人機飛行控制系統傳感器單元不可靠。主要解決兩個問題：1.拓展核心器件的使用環境，常規的加速度和陀螺數據在低溫-10度以下數據偏差較大，通過以上技術可以極大提升加速度和陀螺芯片的工作范圍(-40度)，2.提高整體設備的環境適用性。

解決以上問題及缺陷的難度為：

(1)現有小型無人機控制系統，若選用可靠性高的傳感器，如機械陀螺、光纖陀螺等，成本較高，且對無人機的重量和體積產生影響。

(2)現有冗余系統選用的主備份傳感器，通常使用不同型號的器件，他們有時具有不同的數據輸出頻率。他們之間的數據無法同步，很難對傳感器原始數據進行直接有效的比較。

(3)現有多傳感器冗余系統，當傳感器出現如信號混疊、削波和漂移等“軟故障”時，直接對比原始數據通常難以被檢測出，將會導致飛機姿態的估計異常。

解決以上問題及缺陷的意義為：

在飛機整體重量和成本增加幾乎可以忽略不計的前提下，提出一種具有三組傳感器切換的冗余系統及其控制方法。增加預處理模塊，利用AHRS算法對三組傳感器首先進行預處理得到姿態解算結果。通過對比預處理的結果來判斷三組傳感器可能出現的故障，可以有效檢測出傳感器信號出現混疊、削波和漂移等“軟故障”，從而提高無人機飛行的可靠性。