CAN总线飞控计算机设计与开发

摘要

随着无人机的高速发展，“高空长航时”逐渐成为大型高端无人机的设计目标，由此带来“工作环境恶劣，连续工作时间长”等问题，这对无人机可靠性提出了更严苛的要求。作为核心部件，飞行控制计算机的可靠性显得尤为重要。以成熟的ISA总线飞行控制计算机为基础，以“高可靠性、高可扩展性、高可维护性”为目标，本文基于CAN总线对飞行控制计算机进行了设计和开发。
　　为克服ISA总线的单主工作模式对飞行控制计算机可靠性提升的限制，选择扩展性更强，冗余备份更易实现的CAN作为内部总线，并设计了向下兼容、互联方式灵活的通信方案。采用“通用化”理念，将逻辑运算模块和接口管理模块集成在一块插板上，构成通用核心插板，便于维护。最终形成“通用核心插板+双CAN总线”的总体框架。为节省核心插板版面空间，提高CPU处理效率，采用“CAN-IP扩展接口”作为CAN控制器硬件实现方案，同时设计了底层通信函数的最小完备集和上层通信规则，建立起内部通信。为实现CAN总线单通道计算机，对分布式软件架构，以及多单元的管理策略进行了设计。进一步，为简单可靠地实现针对控制单元的容错，采用“协同法”作为容错策略，设计了故障诊断、系统重构以及故障恢复等算法。
　　针对开发完成的CAN总线计算机，首先利用实时仿真系统，测试了飞行控制计算机基本功能，包括控制逻辑，各单元CPU负荷以及总线负荷；其次通过故障注入，全面地测试了计算机容错功能。结果表明，CAN总线容错飞行控制计算机性能优异，达到了设计目标。

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注释表

第一章 绪论

1.1引言

1.2 无人机飞行控制系统的组成

1.3课题研究背景

1.4论文章节安排

第二章 CAN总线飞控计算机结构设计

2.1引言

2.2总体框架设计

2.3通信方案设计

2.4核心插板设计

2.5典型应用结构

2.6 本章小结

第三章 CAN总线通信设计

3.1引言

3.2设计思路

3.3 CAN总线控制器设计

3.4 CAN总线底层通信API设计

3.5 CAN总线上层应用设计

3.6本章小结

第四章 CAN总线单通道计算机的实现

4.1引言

4.2软件架构设计

4.3接口单元管理策略

4.4控制单元管理策略

4.5本章小结

第五章 CAN总线容错计算机的实现

5.1引言

5.2容错计算机结构

5.3容错管理方案

5.4故障检测与诊断技术

5.5系统重构技术

5.6故障恢复技术

5.7本章小结

第六章 系统集成测试与仿真

6.1引言

6.2实时仿真实验方案

6.3计算机运行状态分析

6.4容错功能测试结果分析

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1本文主要研究内容

7.2后续进一步研究工作

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文