一种大中型固定翼无人机双余度舵机控制故障诊断系统的制作方法

1.本实用新型无人机领域，涉及故障诊断，具体是一种大中型固定翼无人机双余度舵机控制故障诊断系统。


背景技术：

2.随着无人机技术的发展，无人机在军用和民用领域得到了广泛应用。军用领域如情报侦察、军事打击、信息对抗、通信中继、模拟飞行、空中预警等。民用领域如影视航拍、传统农林业、工业作业、灾害救援等。由于无人机应用范围的广泛性，人们对于无人机的安全性和可靠性也有了更高的要求。无人机的舵面控制系统是无人机重要的执行机构，控制无人机的飞行姿态，是关系着无人机飞行安全性和可靠性的重要系统。当前无人机舵面控制系统，有些没有做双余度设计，这样的系统可靠性差，一旦出现故障，没有备份可以使用将导致无人机飞行不可控；有些虽然做了双余度设计，但是没做故障诊断或者只是针对某一方面的故障进行了诊断，缺少全面的故障诊断，这样不能完全发挥双余度设计的优点，如果不能实时监测舵面控制系统各个环节是否出现故障，将不能及时的进行故障隔离并将系统切换到没有故障的链路上，无法完全保证无人机的飞行安全。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于，提供一种大中型固定翼无人机双余度舵机控制故障诊断系统，解决现有技术中的无人机飞行安全性和可靠性不高的技术问题。
4.为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：
5.一种大中型固定翼无人机双余度舵机控制故障诊断系统，包括飞控计算机，还包括相连的控制器和至少一个舵机；所述控制器包括并联设置的主控制模块和备控制模块，以及与主控制模块相连的主驱动模块和与备控制模块相连的备驱动模块；所述主驱动模块和备驱动模块均与舵机相连；
6.所述舵机上连接有主转子位置检测模块、备转子位置检测模块、主角度检测模块和备角度检测模块；所述主转子位置检测模块和主角度检测模块均与主控制模块相连；所述备转子位置检测模块和备角度检测模块均与备控制模块相连；
7.所述主驱动模块上连接有主电流检测模块，所述主电流检测模块与主控制模块相连；所述备驱动模块上连接有备电流检测模块，所述备电流检测模块与备控制模块相连。
8.本是实用新型还包括以下技术特征：
9.所述主控制模块包括主数字信号处理器和主复杂可编程逻辑器；所述备控制模块包括备数字信号处理器和备复杂可编程逻辑器；
10.所述舵机包括依次相连的电机、减速器和舵机输出轴，所述电机包括电机转子、主电机定子和备电机定子。
11.所述主驱动模块还包括依次相连的主隔离电路、主驱动电路和主逆变电路，所述
主隔离电路与主复杂可编程逻辑器相连；所述主逆变电路分别与主电流检测模块和主电机定子相连；所述主电流检测模块与主数字信号处理器相连；
12.所述备驱动模块还包括依次相连的备隔离电路、备驱动电路和备逆变电路，所述备隔离电路与备复杂可编程逻辑器相连；所述备逆变电路分别与备电流检测模块和备电机定子相连；所述备电流检测模块与备数字信号处理器相连。
13.所述主转子位置检测模块分别与主复杂可编程逻辑器和主电机定子相连；所述备转子位置检测模块分别与备复杂可编程逻辑器和我备电机定子相连。
14.所述主角度检测模块分别与主数字信号处理器和舵机输出轴相连；所述备角度检测模块分别与备数字信号处理器和舵机输出轴相连。
15.所述飞控计算机分别与主数字信号处理器和备数字信号处理器通过rs422总线相连。
16.所述主电流检测模块为主电流传感器，所述备电流检测模块为备电流传感器。
17.所述主转子位置检测模块为主霍尔传感器，所述备转子位置检测模块为备霍尔传感器。
18.本实用新型与现有技术相比，有益的技术效果是：
19.本实用新型中采用双余度设计，保证了无人机的正常工作，此外，还设置有电流检测模块，对驱动模块中的电流进行实时监测，以及通过控制器对系统中故障出现概率较高的转子位置检测模块和角度检测模块进行了故障诊断，能够实时监测舵面控制系统各个环节的工作状态，在某一个环节出现故障能够及时检测出来并自动切换到没有故障的链路上，故障检测及双余度设计的有机配合，充分发挥了双余度设计的优点，提高了无人机的飞行安全性和可靠性，解决了现有技术中的无人机飞行安全性和可靠性不高的技术问题。
附图说明
20.图1为本实用新型的整体结构示意图；
21.图2为本实用新型的诊断系统详细结构图；
22.图3为本实用新型可以应用的舵机示意图；
23.图4为舵机工作原理示意图。
24.以下结合实施例对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
25.需要说明的是，本实用新型中双余度舵面控制故障诊断系统同时控制在方向舵舵机、左副翼舵机、右副翼舵机和升降舵舵机，如图4所示。
26.需要说明的是，本实用新型中数字信号处理器在本领域可用dsp表示，复杂可编程逻辑器本领域可用cpld表示。
27.需要说明的是，本实用新型中的所有零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件。
28.以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。
29.本实用新型给出了一种大中型固定翼无人机双余度舵机控制故障诊断系统，如图
1至图2所示，包括飞控计算机，还包括相连的控制器和至少一个舵机；控制器包括并联设置的主控制模块和备控制模块，以及与主控制模块相连的主驱动模块和与备控制模块相连的备驱动模块；主驱动模块和备驱动模块均与舵机相连；
30.舵机上连接有主转子位置检测模块、备转子位置检测模块、主角度检测模块和备角度检测模块；主转子位置检测模块和主角度检测模块均与主控制模块相连；备转子位置检测模块和备角度检测模块均与备控制模块相连；
31.主驱动模块上连接有主电流检测模块，主电流检测模块与主控制模块相连；备驱动模块上连接有备电流检测模块，备电流检测模块与备控制模块相连。
32.在上述技术方案中，主备角度检测模块分别采集舵机输出轴的角度信号分别送入控制器，经余度管理系统后送入位置闭环；主备电流检测模块分别用于采集双余度绕组的实时电流并送入控制器，用于电流闭环及故障检测；主备转子位置检测模块分别用于将转子位置信号实时送入到转子位置信号。
33.采用双余度设计，保证了无人机的正常工作，此外，还设置有电流检测模块，对驱动模块中的电流进行实时监测，以及通过控制器对系统中故障出现概率较高的转子位置检测模块和角度检测模块进行了故障诊断，能够实时监测舵面控制系统各个环节的工作状态，在某一个环节出现故障能够及时检测出来并自动切换到没有故障的链路上，故障检测及双余度设计的有机配合，充分发挥了双余度设计的优点，提高了无人机的飞行安全性和可靠性，解决了现有技术中的无人机飞行安全性和可靠性不高的技术问题。
34.主控制模块包括主数字信号处理器和主复杂可编程逻辑器；备控制模块包括备数字信号处理器和备复杂可编程逻辑器；
35.在上述技术方案中，舵机控制器通过电气接口接收飞控计算机主/备rs422信号，经通信接口芯片、通讯管理芯片将控制信号送入主数字信号处理器和备数字信号处理器；主数字信号处理器通过余度管理模块将余度信号、通过pid运算后的电机pwm控制信号、方向信号送入主复杂可编程逻辑器进行逻辑运算；主复杂可编程逻辑器完成三相桥控制信号输出、霍尔采集、故障信号反馈给数字信号处理器等处理功能。
36.备数字信号处理器除具备主数字信号处理器功能外，还具有监测主数字信号处理器运行状态的功能，当主数字信号处理器出现故障时，接管主数字信号处理器工作。备复杂可编程逻辑器除具备主复杂可编程逻辑器功能外，还具有监测主复杂可编程逻辑器运行状态的功能，备复杂可编程逻辑器在主复杂可编程逻辑器出现故障时接管主复杂可编程逻辑器工作。
37.备控制电路数字信号处理器 复杂可编程逻辑器实时对主控制电路数字信号处理器 复杂可编程逻辑器运行状态进行监测并与主控制电路实时通讯，包括监测系统时钟、看门狗、控制信号接收情况、主控制循环执行情况、复杂可编程逻辑器运行状态等。当主控制电路判断上述任一功能出现故障，备控制电路立即接管主控制电路功能，并将故障上报飞控计算机。
38.舵机包括依次相连的电机、减速器和舵机输出轴，电机包括电机转子、主电机定子和备电机定子。
39.减速器选用谐波减速器，具有体积小，减速比大的特点；角度传感器选用非接触式角度传感器，两个非接触式角度传感器通过两个齿轮与舵机输出轴连接，用于位置闭环，并
具备余度设计。
40.具体的，主驱动模块还包括依次相连的主隔离电路、主驱动电路和主逆变电路，主隔离电路与主复杂可编程逻辑器相连；主逆变电路分别与主电流检测模块和主电机定子相连；主电流检测模块与主数字信号处理器相连；
41.备驱动模块还包括依次相连的备隔离电路、备驱动电路和备逆变电路，备隔离电路与备复杂可编程逻辑器相连；备逆变电路分别与备电流检测模块和备电机定子相连；备电流检测模块与备数字信号处理器相连。
42.具体的，主转子位置检测模块分别与主复杂可编程逻辑器和主电机定子相连；备转子位置检测模块分别与备复杂可编程逻辑器和我备电机定子相连。
43.具体的，主角度检测模块分别与主数字信号处理器和舵机输出轴相连；备角度检测模块分别与备数字信号处理器和舵机输出轴相连。
44.具体的，飞控计算机分别与主数字信号处理器和备数字信号处理器通过rs422总线相连。
45.具体的，主电流检测模块为主电流传感器，备电流检测模块为备电流传感器。
46.具体的，主转子位置检测模块为主霍尔传感器，备转子位置检测模块为备霍尔传感器。
47.在上述技术方案中，通过电机中的电机转子的位置信号检测对霍尔传感器进行检测，电机转子转过360
°
电角度时，三个霍尔传感器ha、hb、hc检测转子位置信号并输出相位差120
°
电角度的矩形波信号，当其中一个霍尔元件损坏，则其输出将不会发生变化，电机就会缺相。正常工作情况下，ha、hb、hc的输出只有六种状态110、010、011、001、101、100，而一旦出现异常，则会出现000或111的情况。故在cpld监测到ha、hb、hc出现了000或111，则可判断某一霍尔元件出现故障，并发送余度管理系统。
48.参见图4，舵机的工作原理为：
49.输入的位置给定信号、舵轴角度传感器反馈信号（双余度角度传感器做冗余处理）、速度信号（经位置信号微分计算）经调节器后输出控制信号，经余度处理后输出给相应驱动电路，余度管理策略采用主控驱动及a绕组工作，当主控驱动或a绕组出现故障，通过余度切换到备控驱动及b绕组，实现位置、速度闭环控制系统。在工作过程中，将生成和采集到的各项参数信息、故障诊断信息经过处理后通过rs422接口上传到飞控计算机。
50.电机旋转运动通过谐波减速器进行减速，带动输出轴进行偏转，实现舵轴旋转输出。舵机输出轴安装有齿轮，分别与两个反馈齿轮相啮合，从而带动主备角度传感器敏感舵机输出轴的偏转角度。根据左副翼、右副翼、方向舵和升降舵舵机与操纵杆的连接方式不同，在每台舵机输出轴上安装相应的输出摇臂，实现对操纵杆的驱动，从而实现了无人机的舵面控制。