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，采用多个FPGA和多个CPU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：多个现场可编程门阵列FPGA、多个中央处理器CPU和多个采集单元；其中，每个FPGA均与相应的CPU和采集单元相连接；任一个FPGA均与其他的FPGA连接，形成网状拓扑结构；

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FPGA；

所述FPGA，用于接收与所述FPGA连接的采集单元发送的飞行数据，判断接收的飞行数据是否符合预设阈值，若不符合，通过所述网状拓扑结构获取其他的FPGA发送的飞行数据，并在判断出获取的飞行数据符合所述预设阈值时，将获取的飞行数传输给与所述FPGA连接的CPU；

所述CPU，用于接收与所述CPU连接的FPGA发送的飞行数据，对接收的所述飞行数据进行处理，得到控制信号；其中，所述控制信号用于控制所述无人机的飞行状态。

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。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，

所述FPGA，还用于通过所述网状拓扑结构获取其他的FPGA发送的飞行数据，判断获取的飞行数据和自身接收的飞行数据是否一致，根据判断结果对所有FPGA进行控制。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述FPGA，还用于在判断出获取的飞行数据和自身接收的飞行数据不一致时，确定存在问题的FPGA，并将确定的FPGA进行重启或隔离；在判断出获取的飞行数据和自身接收的飞行数据一致时，通过所有FPGA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四种可能的实施方式，其中，任一个CPU均与相邻的两个CPU连接，形成环状拓扑结构，以便于通过所述环状拓扑结构将任一个CPU处理后的控制信号传输至相邻的CPU。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，

所述CPU，还用于通过所述环状拓扑结构获取其他的CPU发送的控制信号，判断获取的控制信号和自身对飞行数据进行处理得到的控制信号是否一致，根据判断结果对所有CPU进行控制。

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CPU，还用于在判断出获取的控制信号和自身生成的控制信号不一致时，确定存在问题的CPU，并将确定的CPU进行重启或隔离；在判断出获取的控制信号和自身生成的控制信号一致时，通过所有CPU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七种可能的实施方式，其中，还包括主控FPGA；所述主控FPGA与每个所述FPGA分别连接；

所述主控FPGA，用于接收多个FPGA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。

结合第一方面的第七种可能的实施方式，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，所述主控FPGA与每个所述CPU分别连接；

所述主控FPGA，还用于接收多个CPU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。

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：多个现场可编程门阵列FPGA、多个中央处理器CPU和多个采集单元；其中，每个FPGA均与相应的CPU和采集单元相连接；任一个FPGA均与其他的FPGA连接，形成网状拓扑结构；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FPGA；FPGA接收与FPGA连接的采集单元发送的飞行数据，判断接收的飞行数据是否符合预设阈值，若不符合，通过网状拓扑结构获取其他的FPGA发送的飞行数据，并在判断出获取的飞行数据符合所述预设阈值时，将获取的飞行数传输给与FPGA连接的CPU；CPU接收与CPU连接的FPGA发送的飞行数据，对接收的飞行数据进行处理，得到控制信号；其中，控制信号用于控制无人机的飞行状态。本实用新型实施例中的无人机控制系统及无人机，采用多个FPGA和多个CPU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另一种无人机控制系统的结构示意图；

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另一种无人机控制系统的结构示意图；

图5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、FPGA(其中，22a、FPGA；22b、FPGA；……22n、FPGA)；33、CPU(其中，33a、CPU；33b、CPU；……33n、CPU)；44、主控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，采用多个FPGA和多个CPU的配合工作实现无人机控制，控制稳定可靠。

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：多个现场可编程门阵列FPGA22、多个中央处理器CPU33和多个采集单元11；其中，每个FPGA22均与相应的CPU33和采集单元11相连接；任一个FPGA22均与其他的FPGA22连接，形成网状拓扑结构；

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FPGA22；

FPGA22，用于接收与FPGA22连接的采集单元11发送的飞行数据，判断接收的飞行数据是否符合预设阈值，若不符合，通过网状拓扑结构获取其他的FPGA22发送的飞行数据，并在判断出获取的飞行数据符合预设阈值时，将获取的飞行数传输给与FPGA22连接的CPU33；

CPU33，用于接收与CPU33连接的FPGA22发送的飞行数据，对接收的飞行数据进行处理，得到控制信号；其中，控制信号用于控制无人机的飞行状态。

本实用新型实施例的无人机控制系统包括：多个现场可编程门阵列FPGA22、多个中央处理器CPU33和多个采集单元11；其中，每个FPGA22均与相应的CPU33和采集单元11相连接；任一个FPGA22均与其他的FPGA22连接，形成网状拓扑结构，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FPGA22以便于该FPGA22基于预设阈值对上述飞行数据进行判断，若飞行数据不符合预设阈值，则通过形成的网状拓扑结构获取其他的FPGA22发送的飞行数据，并在判断出获取的飞行数据符合上述预设阈值时，将该飞行数据传输给对应的CPU33，以便于CPU33接收飞行数据，并对其进行处理，得到控制无人机飞行状态的控制信号，其任一个FPGA22判断对应的采集单元11采集的飞行数据是否异常，并在异常时使用网络拓扑结构中的其他采集单元11的数据进行代替，以正常控制无人机的飞行状态，其采用多个FPGA22和多个CPU33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FPGA22(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)之间的连接关系，将采集的飞行数据发送至对应的FPGA22，以便于该FPGA22对接收的飞行数据进行判断处理，即判断该飞行数据是否符合预设阈值，如果不符合，将通过上述网状拓扑结构获取其他的FPGA22从对应的采集单元11接收的飞行数据，在接收了其他的FPGA22发送的飞行数据后，还要进一步判断该飞行数据是否能够符合上述预设阈值，只有在符合时，才会传输给相连接的CPU33(Central Processing Unit，中央处理器)，以便于该CPU33基于接收的飞行数据生成控制飞行状态的控制信号。其中，上述预设阈值是采集单元11采集数据时的一个正常值，如出现负值等异常数据，则判断为数据异常，需要从其他的FPGA22获取飞行数据以正常工作，从而进一步保证无人机控制的可靠性和稳定性。

由图1可知，本实用新型实施例中的FPGA22、CPU33和采集单元11均为多个，且一个FPGA22与一个采集单元11和一个CPU33一一对应，且能够实现一个完整的功能，与n个采集单元11相匹配的CPU33和FPGA22分别有n个，本实用新型对数值n不做具体限制。

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FPGA22对接收的位置信息和速度信息进行阈值判断，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FPGA22对接收的姿态信息、方向信息和气压高度信息进行阈值判断，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，本实用新型实施例所提供的无人机控制系统中的FPGA，还用于接收与FPGA22连接的采集单元11发送的飞行数据，并通过网状拓扑结构将接收的飞行数据传输至其他的FPGA22。

其中，任一个FPGA22均能够通过网状拓扑结构获取其他的FPGA22发送的飞行数据，判断获取的飞行数据和自身接收的飞行数据是否一致，根据判断结果对所有FPGA22进行控制。

对于任一个FPGA22而言，判断其获取的飞行数据和自身接收的飞行数据是否一致，若判断出其中一个飞行数据与其他的飞行数据不一致，则确定该飞行数据对应的FPGA22为异常FPGA22，本实用新型实施例将采取相应的重启或隔离措施，以保准最终飞行数据的准确性；若判断出其中一个以上飞行数据与其他的飞行数据不相同，不仅可以对异常FPGA22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采集单元11、FPGA22和CPU33均优选为四个。参见图2，基于优选的四个采集单元11、四个FPGA22、四个CPU33的结构和上述网状拓扑结构进行无人机的四余度控制的无人机控制系统的结构示意图。那么，四个FPGA22将对应四个飞行数据(获取的三个飞行数据和自身接收的一个飞行数据)，对于四个飞行数据而言，若其中一个飞行数据与其他的三个飞行数据不相同，则根据少数服从多数的方法判断其中一个飞行数据对应的FPGA22为异常，则本实用新型实施例能够重启该异常状态下的FPGA22，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FPGA22，使其不再接着向其他FPGA22发送数据；若其中两个飞行数据与其他的两个飞行数据不相同，相应的，能够将对应的异常状态下的两个FPGA22进行重启或隔离。考虑到不同FPGA22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任一个CPU33均与相邻的两个CPU33连接，形成环状拓扑结构，以便于通过环状拓扑结构将任一个CPU33处理后的控制信号传输至相邻的CPU33。参见图3，基于优选的四个采集单元11、四个FPGA22、四个CPU33和上述环状拓扑结构进行无人机的四余度控制的无人机控制系统的结构示意图。

由图可知，任一个CPU33均能够通过环状拓扑结构获取其他的CPU33发送的控制信号，判断获取的控制信号和自身对飞行数据进行处理得到的控制信号是否一致，根据判断结果对所有CPU33进行控制。

其中，在判断出获取的控制信号和自身生成的控制信号不一致时，确定存在问题的CPU33，并将确定的CPU33进行重启或隔离；在判断出获取的控制信号和自身生成的控制信号一致时，通过所有CPU33进行协同控制。

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

进一步的，为了进一步提高无人机控制的可靠性和稳定性，本实用新型实施例所提供的无人机飞行控制系统还包括主控FPGA44，参见图4，基于优选的四个采集单元11、四个FPGA22、四个CPU33和上述主控FPGA44进行无人机的四余度控制的无人机控制系统的结构示意图。

由图可知，主控FPGA44与每个FPGA22分别连接，每个FPGA22均将采集单元11采集到的飞行数据传输至主控FPGA44，以进行后续的一致性判断，其中，主控FPGA44对飞行数据一致性的判断与上述FPGA22进行飞行数据一致性判断的方式相同，在此不做赘述。

进一步的，上述主控FPGA44与每个CPU33分别连接，每个CPU33均将生成的控制信号传输至主控FPGA44，以进行一致性判断，其中，主控FPGA44对控制信号一致性的判断与上述CPU33进行控制信号一致性判断的方式相同，在此不做赘述。

进一步的，本实用新型实例中的每一组CPU33和FPGA22均采用PCI-E(Peripheral Component Interconnect-Express，快速外设部件互连标准)总线进行连接。

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CPU33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CPU33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；CPU33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；FPGA22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。

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5，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FPGA44连接，以对主控FPGA44及与该主控FPGA44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FPGA44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CPU33或FPGA22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：多个现场可编程门阵列FPGA22、多个中央处理器CPU33和多个采集单元11；其中，每个FPGA22均与相应的CPU33和采集单元11相连接；任一个FPGA22均与其他的FPGA22连接，形成网状拓扑结构，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FPGA22以便于该FPGA22基于预设阈值对上述飞行数据进行判断，若飞行数据不符合预设阈值，则通过形成的网状拓扑结构获取其他的FPGA22发送的飞行数据，并在判断出获取的飞行数据符合上述预设阈值时，将该飞行数据传输给对应的CPU33，以便于CPU33接收飞行数据，并对其进行处理，得到控制无人机飞行状态的控制信号，其任一个FPGA22判断对应的采集单元11采集的飞行数据是否异常，并在异常时使用网络拓扑结构中的其他采集单元11的数据进行代替，以正常控制无人机的飞行状态，其采用多个FPGA22和多个CPU33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。