一种面向集群协同的小型无人飞行器电子系统通信架构

技术领域

本发明涉及无人飞行器中分布式嵌入式计算系统与设备专业领域，具体涉及一种面向集群协同的小型无人飞行器电子系统通信架构。

背景技术

目前无人飞行器集群协同成为发展趋势。集群协同要求无人飞行器之间能够实时共享内部信息，从而实现更精准的控制和多源信息融合及多飞行器的协同制导控制。这要求集群模式下各无人飞行器获取信息的同步性以及信息共享的及时性。

目前，无人飞行器内部总线类型多，主要有ARINC429/RS422/LVDS/SPI/RS485/1553B等，其中ARINC429/RS422/LVDS/SPI采用单余度点对点式通信，存在飞行器内部线缆多、系统交联复杂、信息交互效率低、信息共享不及时、无法提供系统同步等问题，同时1553B存在通信速率低、单节点成本高，无法提供系统时间同步等问题，再者FC-AE-1553存在节点体积大、成本高(需要交换机)问题，不适用于小型低成本无人飞行器计算机小体积、低成本需求。

当前，基于时间触发的通信架构在控制系统中已成为主流，其能够将可用的通信资源合理地静态分配给系统内每个节点，排除了事件触发通信协议要考虑的资源共享冲突和恢复操作等问题，提高了系统的确定性和安全性。主流基于时间触发的总线有ARINC659、MIL-1394B、TTP、TTE、TSN等总线，TT E、TSN总线需要交换机增加了成本、体积，MIL-1394B上电启动、动态适配时间长不能飞行过程中载荷快速启动需求，ARINC659同样存在线缆多、交联复杂、成本高等问题。TTP总线型网络双余度、线缆少、具有较好的安全性支持，且成本低，适用于网络化实时控制系统的数据传输。现有的TTP协议芯片(AS8202B等)产品，在航空、航天、汽车、工业等领域成功应用，但存在总线速率低(异步模式5Mbps、同步模式20Mbps)、非自主可控及无法向单一主时钟节点(譬如GPS/北斗)同步问题。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种面向集群协同的小型无人飞行器电子系统通信架构，解决现有无人飞行器内部总线线缆多、系统交联复杂、通信可靠性较低、信息交互效率低、信息共享不及时和不支持集群协同下分布式时间同步等问题，以实现自主可控、低成本，简化无人飞行器内部系统互联，并支持集群协同下分布式时间同步的目的。

本申请实施例提供以下技术方案：一种面向集群协同的小型无人飞行器电子系统通信架构，包括：飞控计算机、卫星接收机、数据链和其余计算机，所述其余计算机为该无人飞行器电子系统中除所述飞控计算机之外的剩余计算机；所述飞控计算机、所述卫星接收机、所述数据链和所述其余计算机通过时间触发协议总线型网络进行通信；

所述飞控计算机与外部发射装置相连，所述飞控计算机为该通信架构中的通信控制中心，用于进行系统内的通信控制；所述卫星接收机为该通信架构中的集中授时中心，用于为系统中各节点提供主时钟源，使各节点根据该主时钟源获取精确的本地时钟和时间；所述数据链为该通信架构中无人飞行器内部通信以及多个无人飞行器相互之间通信的信息交换中心。

根据本申请一种实施例，所述飞控计算机包括模式控制单元，用于控制所述时间触发协议总线型网络通信模式的确定及变更；还包括上电控制单元，用于通过电源实现对系统中各节点的上电控制。

根据本申请一种实施例，所述数据链包括信息收发单元和处理单元，所述信息收发单元用于通过所述时间触发协议总线型网络自动收集无人飞行器内部各设备传感器信息，所述处理单元用于对该信息进行加密，由所述信息收发单元将该加密后的信息上传至外部平台；所述信息收发单元还用于通过所述时间触发协议总线型网络自动收集来自所述外部平台的下传信息，通过所述处理单元对该下传信息进行解密，由所述信息收发单元直接广播式发送至无人飞行器内部各设备。

根据本申请一种实施例，所述时间触发协议总线型网络的控制协议采用FPGA IP实现。

根据本申请一种实施例，所述时间触发协议总线型网络支持网络节点数不大于32个，节点间采用Cat-5e电缆进行信号传输，总线末端各布置1个100Ω的终端电阻，总线速率不低于50Mbps。

根据本申请一种实施例，所述时间触发协议总线型网络协议中的编解码层使用差分曼彻斯特编码/曼切斯特II实现。

根据本申请一种实施例，所述时间触发协议总线型网络的总线驱动器采用两类、具有无毛刺上电/关断功能的M-LVDS驱动器实现，驱动器开关速率不低于200Mbps(100MHz)。

本发明的一种面向集群协同的小型无人飞行器电子系统通信架构，其有益效果在于：

1、该架构可以有效支撑集群协同下的无人飞行器内部、无人飞行器之间的时间同步、信息共享，缩短信息传输路径，简化系统互联，降低系统成本；

2、采用双冗余总线、差分曼彻斯特编码及高速M-LVDS接收器实现了无人飞行器内部总线的高速可靠信息传输；

3、采用以飞控为中心的电源控制及无毛刺上电的M-LVDS驱动器支持载荷的灵活上电顺序，适用于多种无人飞行器类型，通用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它的附图。

图1为本发明实施例一种面向集群协同的无人飞行器电子系统通信架构图；

图2为本发明实施例中通用版总线架构通信架构图；

图3为本发明实施例中简缩版总线架构通信架构图；

图4为本发明实施例中总线通信节点系统架构图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出的一种面向集群协同的无人飞行器电子系统通信架构中，无人飞行器内部及无人飞行器之间各设备可以实时便捷地共享数据，并可以进行无人飞行器内部、无人飞行器之间各设备间的时间同步。下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明实施例提供了一种面向集群协同的小型无人飞行器电子系统通信架构，包括：飞控计算机、卫星接收机、数据链和其余计算机，所述其余计算机为该无人飞行器电子系统中除所述飞控计算机之外的剩余计算机；所述飞控计算机、所述卫星接收机、所述数据链和所述其余计算机通过时间触发协议(TTP)总线型网络进行通信；

所述飞控计算机与外部发射装置相连，所述飞控计算机为该通信架构中的通信控制中心，用于进行系统内的通信控制；所述卫星接收机(GPS/北斗)为该通信架构中的集中授时中心，用于为系统中各节点提供主时钟源，使各节点根据该主时钟源获取精确的本地时钟和时间；所述数据链为该通信架构中无人飞行器内部通信以及多个无人飞行器相互之间通信的信息交换中心；

其中，飞控计算机节点通过1553B/FC-AE-1553等总线直接与外部发射装置相连，数据链支持无人飞行器之间无线网络通信。

实际使用中将本发明基于时间触发的通信架构分为通用版和简缩版两种类型。通用版通信架构(适用于中远程无人飞行器)中挂接设备包括载荷、飞控计算机、卫星接收机、数据链、惯导、舵机等节点，如图2所示。在通用版通信架构中，载荷在挂机状态不工作，在预定区域内开机工作。简缩版通信架构(适用于近程无人飞行器)相比于通用版通信架构，挂接设备减少了卫星接收机等节点，如图3所示。

在本发明实施例中，所述飞控计算机包括模式控制单元，用于控制所述时间触发协议总线型网络通信模式的确定及变更；还包括上电控制单元，用于通过电源实现对系统中各节点的上电控制。

具体的，上述飞控计算机为通信架构中的通信控制中心，负责与无人飞行器内部所有分系统进行通信，负责TTP总线型网络通信模式的确定及变更，并通过电源实现对其他节点的上电控制；其他节点通过TTP总线接口与弹上TTP总线型网络连接，上电后，按照飞控计算机设定的TTP总线工作模式(簇周期、TDMA周期、Slot槽位)完成系统同步及数据自动收发工作。

根据本申请一种实施例，所述数据链包括信息收发单元和处理单元，所述信息收发单元用于通过所述时间触发协议总线型网络自动收集无人飞行器内部各设备传感器信息，所述处理单元用于对该信息进行加密，由所述信息收发单元将该加密后的信息上传至外部平台；所述信息收发单元还用于通过所述时间触发协议总线型网络自动收集来自所述外部平台的下传信息，通过所述处理单元对该下传信息进行解密，由所述信息收发单元直接广播式发送至无人飞行器内部各设备。

本实施例中，上述数据链为通信架构中无人飞行器内部通信与无人飞行器之间通信的信息交换节点，自动通过TTP总线获取无人飞行器内部其他设备的通信数据，从中剥离出无人飞行器之间协同需要的关键信息(如无人飞行器自身的姿态、速度、加速度、角速度，目标的方位、速度等信息)，信息加密后通过无线发送给其他无人飞行器；同时，数据链节点，按照MEDL表中分配的SLOT槽，定时通过无线网络自动收集其他无人飞行器下传信息，解密后通过TTP总线网络广播式发送给无人飞行器内部各设备。

本实施例中，卫星接收机为通信架构中的集中授时中心(其内部时钟精度最高)，各节点通过TTP总线以卫星接收机(GPS/北斗)作为主时钟源获取精确的本地时钟和时间。简缩版通信架构中，如图3所示，没有卫星接收机节点，将飞控计算机(其内部时钟精度最高)作为主时钟节点，导引头、惯导节点、舵机节点作为备份主时钟节点，其余节点作为从时间节点参与时间触发协议的分布式时钟同步。

上述惯导节点为弹上通信的从设备，按照设定的定时周期，定时启动陀螺仪、加速度计等信息的采集并处理，并按照MEDL表中分配的SLOT槽，定时将惯测信息通过总线广播给其他节点。

如图4所示，在本发明实施例中，所述时间触发协议总线型网络的控制协议采用FPGAIP实现，可以深度嵌入各计算节点中，支持网络节点数不大于32个，双冗余，节点间采用Cat-5e电缆进行信号传输，总线末端各布置1个100Ω的终端电阻，总线速率不低于50Mbps。

本实施例中，TTP总线型网络协议中的编解码层使用差分曼彻斯特编码/曼切斯特II实现。在通信速率为100Mbps的情况下，编码时钟频率为200MHz，解码时钟频率为400MHz。

TTP总线型网络的总线驱动器采用Ⅱ类、具有无毛刺上电/关断功能的M-LVDS驱动器实现，驱动器开关速率不低于200Mbps(100MHz)。本实施例中选择亚德诺半导体公司的ADN4697E多点LVDS收发器芯片作为M-LVDS接口驱动器。ADN4697E芯片的DE信号输入端(驱动器使能引脚)采用电阻下拉保证上电过程中该信号为低电平，电阻阻值选择1KΩ，上电过程中该信号的电平≤0.8V。本实施例的TTP总线型网络能有效提高传输速率，支持动态载荷上电。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。