一种无人机控制系统及无人机的制作方法

本实用新型涉及航空技术领域，具体而言，涉及一种无人机控制系统及无人机。

背景技术：

近年来，随着无人机的市场越来越大，不论是专业级无人机和玩家级无人机，安全问题，都是围绕在无人机生产厂商和用户之间最重要的问题，而其中最大的问题则是无人机的飞行控制系统发生问题，导致无人机瞬间信号丢失，出现坠机现象，因此，如何解决无人机控制系统的稳定问题将是至关重要且必须解决的问题。

当前市场上的无人机多采用一个控制器的形式，所以在飞行中，只要这个控制器失灵，无人机将会失去控制，从而无法保证上述无人机的安全性。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种无人机控制系统及无人机，采用主控单元和多个控制单元的配合工作实现无人机控制，控制稳定可靠。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种无人机控制系统，所述系统包括：主控单元、多个控制单元和采集单元，所述主控单元与每个所述控制单元分别连接，每个所述控制单元均连接有对应的采集单元；

所述采集单元，用于实时采集无人机在当前飞行环境下的飞行数据，并将所述飞行数据传输给与所述采集单元连接的控制单元；

所述控制单元，用于接收与所述控制单元连接的采集单元发送的所述飞行数据，对所述飞行数据进行处理，得到控制信号，并将所述控制信号传输给所述主控单元；其中，所述控制信号用于控制所述无人机的飞行状态；

所述主控单元，用于接收所述多个控制单元分别发送的控制信号，并判断接收的多个控制信号是否一致，根据判断结果对所述无人机进行控制。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述采集单元至少包括全球定位系统GPS模块、惯性测量单元IMU、罗盘和气压计中的一种或多种；

所述GPS模块，用于实时采集所述无人机在当前飞行环境下的位置信息和速度信息，用于所述控制单元生成控制所述无人机飞行速度的控制信号；

所述IMU，用于实时采集所述无人机在当前飞行环境下的加速度信息和角速度信息，用于所述控制单元生成控制所述无人机飞行姿态的控制信号；

所述罗盘，用于实时采集所述无人机在当前飞行环境下的地磁场信息，用于所述控制单元生成控制所述无人机飞行方向的控制信号；

所述气压计，用于实时采集所述无人机在当前飞行环境下的气压高度信息，用于所述控制单元生成控制所述无人机飞行高度的控制信号。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述主控单元，还用于在判断出接收的多个控制信号不一致时，确定存在问题的控制单元，并将确定的所述控制单元进行重启或隔离，以通过其他的控制单元对所述无人机进行控制；在判断出接收的多个控制信号一致时，通过所有控制单元对所述无人机进行协同控制。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，

所述控制单元，还用于接收与所述控制单元连接的采集单元发送的所述飞行数据，并将所述飞行数据传输给所述主控单元；

所述主控单元，还用于接收所述多个控制单元分别发送的飞行数据，并判断接收的多个飞行数据是否一致，根据判断结果对所述无人机进行控制。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述主控单元，还用于在判断出接收的多个飞行数据不一致时，确定存在问题的控制单元，并将确定的所述控制单元进行重启或隔离，以通过其他的控制单元对所述无人机进行控制；在判断出接收的多个飞行数据一致时，通过所有控制单元对所述无人机进行协同控制。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，还包括快速外设部件互连标准PCI-E总线；所述控制单元包括中央处理器CPU和现场可编程门阵列FPGA；

所述CPU通过所述PCI-E总线与所述FPGA连接。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述FPGA与对应的所述采集单元通信连接；任一个CPU均与相邻的两个CPU连接，形成环状拓扑结构；

所述FPGA，用于接收与所述FPGA连接的采集单元发送的所述飞行数据，并将所述飞行数据传输给与所述FPGA连接的CPU；

所述CPU，用于接收与所述CPU连接的FPGA发送的所述飞行数据，对所述飞行数据进行处理，得到控制信号；

所述CPU，还用于通过所述环状拓扑结构将处理后的控制信号传输至相邻的CPU。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，每个所述FPGA均与所述主控单元连接；任一个FPGA均与其他的FPGA连接，形成网状拓扑结构；

所述FPGA，还用于接收与所述FPGA连接的采集单元发送的所述飞行数据，并将所述飞行数据传输给与所述FPGA连接的主控单元；

所述主控单元，还用于接收与所述主控单元连接的FPGA发送的所述飞行数据，并将所述飞行数据传输至其他的FPGA；

和/或，

所述FPGA，还用于接收与所述FPGA连接的CPU发送的所述控制信号，并将所述控制信号传输给与所述FPGA连接的主控单元；

所述主控单元，还用于接收与所述主控单元连接的FPGA发送的所述控制信号，并将所述控制信号传输至其他的FPGA；

所述FPGA，还用于通过所述网状拓扑结构将接收的飞行数据传输至其他的FPGA，和/或，通过所述网状拓扑结构将接收的控制信号传输至其他的FPGA。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，

所述CPU，还用于按照第一预设时间间隔向所述主控单元提供第一看门狗信号；

所述FPGA，还用于按照第二预设时间间隔向所述主控单元提供第二看门狗信号；

所述主控单元，还用于判断所述第一看门狗信号和/或所述第二看门狗信号是否处于异常状态，并在判断出处于异常状态时，确定异常状态对应的控制单元，并将确定的控制单元进行重启或隔离。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种包括第一方面、第一方面的第一种可能的实施方式至第一方面的第八种可能的实施方式中任一种可能的实施方式所述的无人机控制系统的无人机。

本实用新型实施例中，无人机控制系统包括：主控单元、多个控制单元和采集单元，主控单元与每个控制单元分别连接，每个控制单元均连接有对应的采集单元；采集单元实时采集无人机在当前飞行环境下的飞行数据，并将飞行数据传输给与采集单元连接的控制单元；控制单元接收与控制单元连接的采集单元发送的飞行数据，对飞行数据进行处理，得到控制信号，并将控制信号传输给主控单元；其中，控制信号用于控制无人机的飞行状态；主控单元，用于接收多个控制单元分别发送的控制信号，并判断接收的多个控制信号是否一致，根据判断结果对无人机进行控制。本实用新型实施例中的无人机控制系统及无人机，采用主控单元和多个控制单元的配合工作实现无人机控制，控制稳定可靠。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本实用新型实施例所提供的一种无人机控制系统的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的一种无人机控制系统中控制单元的结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的另一种无人机控制系统的结构示意图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的一种无人机控制系统的电源工作示意图。

主要元件符号说明：

11、采集单元(其中，11a、采集单元；11b、采集单元；……11n、采集单元)；22、控制单元(其中，22a、控制单元；22b、控制单元；……22n、控制单元)；33、主控单元；221、CPU(其中，221a、CPU；221b、CPU；……221d、CPU)；222、FPGA(其中，222a、FPGA；222b、FPGA；……222d、FPGA)。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

考虑到相关技术中的无人机多采用一个控制器的形式，所以在飞行中，只要这个控制器失灵，无人机将会失去控制，从而无法保证上述无人机的安全性。基于此，本实用新型实施例提供了一种无人机控制系统及无人机，采用主控单元和多个控制单元的配合工作实现无人机控制，控制稳定可靠。

首先对本实用新型实施例提供的无人机控制系统的具体结构进行如下说明：

参见图1，本实用新型实施例提供了一种无人机控制系统，该系统具体包括：主控单元33、多个控制单元22和采集单元11，主控单元33与每个控制单元22分别连接，每个控制单元22均连接有对应的采集单元11；

采集单元11，用于实时采集无人机在当前飞行环境下的飞行数据，并将飞行数据传输给与采集单元11连接的控制单元22；

控制单元22，用于接收与控制单元22连接的采集单元11发送的飞行数据，对飞行数据进行处理，得到控制信号，并将控制信号传输给主控单元33；其中，控制信号用于控制无人机的飞行状态；

主控单元33，用于接收多个控制单元22分别发送的控制信号，并判断接收的多个控制信号是否一致，根据判断结果对无人机进行控制。

本实用新型实施例的无人机控制系统包括：主控单元33、多个控制单元22和采集单元11，主控单元33与每个控制单元22分别连接，每个控制单元22均连接有对应的采集单元11，与相关技术中采用一个控制器的无人机控制，无法保证无人机的安全性相比，其通过采集单元11实时采集无人机在当前飞行环境下的飞行数据，并将飞行数据传输给对应的控制单元22以便于控制单元22对接收的飞行数据进行处理，得到用于控制无人机的飞行状态的控制信号，主控单元33则接收多个控制单元22分别发送的控制信号，并判断接收的多个控制信号是否一致，根据判断结果对无人机进行控制，其采用主控单元33和多个控制单元22的配合工作实现无人机控制，控制稳定可靠。

具体的，本实用新型实施例所提供的无人机控制系统中的采集单元11实时采集无人机在当前飞行环境下的飞行数据，并通过采集单元11与控制单元22之间的连接关系，将采集的飞行数据发送至对应的控制单元22，以便于该控制单元22对接收的飞行数据进行处理，得到用于控制无人机飞行状态的控制信号，所有控制单元22均和主控单元33相连接，则主控单元33将接收多个控制单元22分别发送的控制信号，并判断多个控制信号中是否存在与其他的控制信号不同的异常控制信号，在判断出存在异常信号时对无人机采取第一控制方式，在判断出不存在异常信号时对无人机采取第二控制方式，从而进一步保证无人机控制的可靠性和稳定性。

其中，本实用新型实施例中的控制单元22为多个，且多个控制单元22均与主控单元33连接以进行各个控制单元22与主控单元33之间的数据交互，那么，每个控制单元22均受控于上述主控单元33，主控单元33能够对多个控制单元22分别发送的控制信号进行一致性判断，并根据判断结果对无人机进行控制。

另外，本实用新型实施例所提供的无人机控制系统中的采集单元11为多个，每个采集单元11能够分别与对应的控制单元22相连接，控制单元22则将采集单元11采集到的无人机的飞行数据传输至主控单元33，以进行后续的处理。其中，采集单元11的线束均从与之相对应的控制单元22上引出，布线简洁、成本较低，并便于故障的诊断和排查，实用性较佳。参见图1，与多个采集单元11相匹配的控制单元22有n个，本实用新型对数值n不做具体限制。

进一步的，本实用新型实施例所提供的无人机控制系统中的采集单元11能够是定位无人机的GPS(Global Positioning System，全球定位系统)模块，用于采集位置信息和速度信息，以便于控制单元22生成控制无人机飞行速度的控制信号，还能够是IMU(Inertial measurement unit，惯性测量单元)、罗盘、气压计，用于分别采集当前飞行环境下的无人机的姿态信息(即加速度信息和角速度信息)、方向信息和气压高度信息，以便于控制单元22生成控制无人机飞行姿态、飞行方向和飞行高度的控制信号，还能够是测量无人机周边环境温度的温度传感器，还能够是上述采集单元11中的各种组合。针对不同用户的需求，本实用新型实施例还能够设置具有其他功能的传感器，本实用新型实施例包括上述检测传感器，但不限于上述检测传感器。

进一步的，为了更好的实现本实用新型实施例所提供的无人机控制系统的性能，本实用新型实施例中的主控单元33在判断出接收的多个控制信号不一致时，确定存在问题的控制单元22，并将确定的控制单元22进行重启或隔离，以通过其他的控制单元22对无人机进行控制；在判断出接收的多个控制信号一致时，通过所有控制单元22对无人机进行协同控制。

对于多个控制信号，若判断出其中一个控制信号与其他的控制信号不相同，则确定该控制信号对应的控制单元22为异常控制单元，本实用新型实施例将采取相应的重启或隔离措施，以保准最终控制信号的准确性；对于多个控制信号，若判断出其中一个以上控制信号与其他的控制信号不相同，不仅可以对异常控制单元采取重启或隔离的措施，还可以不做具体的处理以提高容错性。

考虑到上述无人机控制系统的应用场景，本实用新型实施例中的控制单元22优选为四个。那么，四个控制单元22将对应四个控制信号，对于四个控制信号而言，若其中一个控制信号与其他的三个控制信号不相同，则根据少数服从多数的方法判断其中一个控制信号对应的控制单元22为异常，则本实用新型实施例能够重启该异常状态下的控制单元22，直至在重启达到正常状态后才进行工作，还能够直接隔离该异常状态下的控制单元22，使其不再接着向主控单元33发送数据；若其中两个控制信号与其他的两个控制信号不相同，相应的，能够将对应的异常状态下的两个控制单元22进行重启或隔离。考虑到不同控制单元22同一时间出错的概率较小，通过上述少数服从多数的原则即可进行相应的控制，实用性更强。

进一步的，本实用新型实施例所提供的无人机控制系统中的控制单元22，还接收与控制单元22连接的采集单元11发送的飞行数据，并将飞行数据传输给主控单元33以便于主控单元33接收多个控制单元22分别发送的飞行数据，并判断接收的多个飞行数据是否一致，根据判断结果对无人机进行控制。

本实用新型实施例中，对于飞行数据一致性的判断与上述控制信号一致性的判断类似，在此不做赘述。

进一步的，参见图2，本实用新型实施例所提供的无人机控制系统中的每个控制单元22均包括CPU221(Central Processing Unit，中央处理器)和FPGA222(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)，且CPU221与FPGA222通过PCI-E(Peripheral Component Interconnect-Express，快速外设部件互连标准)总线进行连接。对应的，本实用新型实施例中的主控单元33为主控FPGA。

考虑到本实用新型实施例所提供的无人机控制系统需要处理性能优良的芯片，在本实用新型实施例中的CPU221可以采用Freescale公司的PowerPC(Performance Optimization With Enhanced RISC–Performance Computing)处理器P2020，还可以采用Intel的灵动处理器ATOM，还可以是其他具有处理功能的处理器，其中，上述CPU221外接SD((Secure Digital Memory Card，安全数字存储卡)卡、Flash以及DDR(Double Data Rate，双倍速率)存储器等存储模块；CPU221以串口、网口、HDMI(High Definition Multimedia Interface，高清晰度多媒体接口)及USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)等接口形式外接数据模块；FPGA222外接PWM(Pulse-Width Modulation，脉冲宽度调制)接口、串口、SPI(Serial Peripheral interface，串行外围接口)、I2C(Inter-Integrated Circuit，内部集成电路)、IO(Input/Output，输入/输出)及ADC(Analog-to-digital converter,模数转换器)等各种数据及接口。

参见图3，基于优选的四个控制单元22和上述控制单元22的结构对应的四余度控制的无人机控制系统的结构示意图，由图可知，FPGA222与对应的采集单元11通信连接；任意相邻CPU221均进行连接，形成环状拓扑结构；其中，

FPGA222接收与FPGA222连接的采集单元11发送的飞行数据，并将飞行数据传输给与FPGA222连接的CPU221，以便于CPU221接收上述飞行数据，对飞行数据进行处理，得到控制信号；

另外，通过所有CPU221形成的环状拓扑结构能够将任一个CPU221处理后的控制信号传输至相邻的CPU221。

另外，由图3可知，与四个控制单元22相匹配的采集单元11、CPU221和FPGA222均为四个。

进一步的，每个FPGA222均与主控单元33连接；任意两个FPGA222均进行连接，形成网状拓扑结构；通过该网状拓扑结构不仅能够将任一个FPGA222接收的飞行数据传输至其他的FPGA222，还能够通过网状拓扑结构将任一个FPGA222接收的控制信号传输至其他的FPGA222。

具体的，FPGA222接收与FPGA222连接的采集单元11发送的飞行数据，并将飞行数据传输给与FPGA222连接的主控单元33以便于主控单元33接收与主控单元33连接的FPGA222发送的飞行数据，并将飞行数据传输至其他的FPGA222，即通过网状拓扑结构可以进行飞行数据之间的交互，可实现一个采集单元11给多个控制单元22使用，且在某一个控制单元22判定与之连接的采集单元11异常时，可使用其他采集单元11所采集到的数据代替，或向主控单元33请求控制FPGA222进行自重启。

另外，上述FPGA222还能够接收与FPGA222连接的CPU221发送的控制信号，并将控制信号传输给与FPGA222连接的主控单元33以便于主控单元33接收上述控制信号，并将控制信号传输至其他的FPGA222。

进一步的，为了实现主控单元33对控制单元22的实时监控，上述CPU221将按照第一预设时间间隔向主控单元33提供第一看门狗信号，上述FPGA222将按照第二预设时间间隔向主控单元33提供第二看门狗信号，即CPU221和FPGA222将对主控单元33提供看门狗信号，当主控单元33检测到看门狗信号失常时，可认为该控制单元22处于异常状态，可通过异常状态通信通道询问正常的控制单元22，以确定疑似异常单元是否确实异常，如异常则对该异常状态下的控制单元22进行重启动操作，当看门狗正常时，如其他多路控制单元22均下达重启某一个控制单元22的命令时，主控单元33也将完成重启动操作。

本实用新型实施例所提供的无人机控制系统采用隔离式DC-DC芯片进行供电，对无人机主电平面和飞控电平面进行隔离，不仅提高飞控抗外部干扰能力，还能将电源转换为飞控电平面常规12V。参见图4，现对四余度的无人机控制系统的电源模块进一步进行说明，该电源模块与主控FPGA连接，以对主控FPGA及与该主控FPGA相连接的其他器件进行供电。

由图可知，进行完电源隔离后，分四路进行12V转5V，此步DC-DC需带有使能管脚，可完成芯片输出禁止与恢复，可搭配主控FPGA进行电源关断和重开机。此阶段，第一、二两路，第三、四两路电源输出间各增加一个固态继电器，可受控开启，完成单电源芯片供给两路任务。因此电源芯片选型时需预留足够的负载能力。

当控制单元22产生重大故障时，首先关断12V转5V的DC-DC芯片，等待一段时候重新恢复供电，当情况并无好转时再次关断12V转5VDC-DC芯片，再等待一段时间开启继电器，进行双路供电输出，如情况依然无法得到改善则断开继电器，等待更长的时候使能芯片，并不断重复尝试循环。当情况恶化时，则关闭继电器，只进行重开机操作，并延长失败等待间隔。

本实用新型实施例的无人机控制系统包括：主控单元33、多个控制单元22和采集单元11，主控单元33与每个控制单元22分别连接，每个控制单元22均连接有对应的采集单元11，与相关技术中采用一个控制器的无人机控制，无法保证无人机的安全性相比，其通过采集单元11实时采集无人机在当前飞行环境下的飞行数据，并将飞行数据传输给对应的控制单元22以便于控制单元22对接收的飞行数据进行处理，得到用于控制无人机的飞行状态的控制信号，主控单元33则接收多个控制单元22分别发送的控制信号，并判断接收的多个控制信号是否一致，根据判断结果对无人机进行控制，其采用主控单元33和多个控制单元22的配合工作实现无人机控制，控制稳定可靠。

本实用新型实施例还提供了一种无人机，该无人机采用上述无人机控制系统进行控制，稳定可靠，实用性更强。

在本实用新型所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。