無人機(jī)多余度航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊璐

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710089）

近年來，我國航空電子技術(shù)得到了空前的發(fā)展，其系統(tǒng)可靠性與安全性與無人機(jī)系統(tǒng)息息相關(guān)，一方面影響著無人機(jī)系統(tǒng)生存能力，另一方面也關(guān)系著其任務(wù)執(zhí)行效率[1]。單純依賴某個(gè)元件質(zhì)量及裝配工藝提升，很難滿足無人機(jī)系統(tǒng)要求[2]。近年來，余度技術(shù)在無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得以應(yīng)用，其能夠促進(jìn)飛控計(jì)算機(jī)可靠性能力的提升，及時(shí)處理故障部件，具有較高的安全性[3]，因此，對(duì)無人機(jī)多余度航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的研究有著重要的實(shí)踐意義與應(yīng)用價(jià)值。

1 構(gòu)型方案設(shè)計(jì)

1.1 余度數(shù)目及系統(tǒng)可靠性的選擇

余度設(shè)計(jì)對(duì)于航空電子系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行可靠性、安全性有著極為重要的作用。所謂余度設(shè)計(jì)主要指的是當(dāng)發(fā)生兩個(gè)及兩個(gè)以上獨(dú)立故障所造成的產(chǎn)品失效設(shè)計(jì)方法[4]，簡(jiǎn)單來講，就是將多個(gè)低可靠性分系統(tǒng)、設(shè)備等進(jìn)行組合使其形成一個(gè)具有較高安全性、可靠性的系統(tǒng)[5]。無人機(jī)機(jī)載航空電子系統(tǒng)中的每個(gè)單元均遵循指數(shù)分布的原則。與單獨(dú)單元可靠度相比，串聯(lián)系統(tǒng)可靠度相對(duì)較低。且當(dāng)串聯(lián)系統(tǒng)單元數(shù)增多時(shí)，并聯(lián)系統(tǒng)可靠度也會(huì)隨之增加。假設(shè)采用Ri（t）表示單獨(dú)通道可靠度，那么其不可靠度則為1-Ri（t）[6]，一般情況下，n個(gè)環(huán)節(jié)組成的航空電子系統(tǒng)至少包含了r個(gè)正常工作環(huán)節(jié)，才能確保系統(tǒng)順利工作，其被稱作是r/n系統(tǒng)，若各個(gè)環(huán)節(jié)可靠度均為R（t），那么可以采用數(shù)學(xué)模型對(duì)其系統(tǒng)可靠度進(jìn)行表示：

通常，元件及各個(gè)環(huán)節(jié)可靠度均呈現(xiàn)出指數(shù)分布特點(diǎn)，R（t）=e-λt，假設(shè)r為 2，那么可以將其系統(tǒng)可靠度表示為：

上述公式可以通過曲線的方式繪制在同一圖形中，隨著時(shí)間的變化，其可靠度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，假設(shè)λ取值相同，具體見圖1。可以發(fā)現(xiàn)，余度數(shù)目事實(shí)上并不與任務(wù)可靠性、安全性表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。通常，簡(jiǎn)單的并聯(lián)余度系統(tǒng)當(dāng)期余度數(shù)目增加時(shí)，任務(wù)安全性增加將會(huì)逐漸緩慢，必須對(duì)其各項(xiàng)任務(wù)可靠性權(quán)衡之后才能夠確定[6]。從當(dāng)前飛行棋內(nèi)部分系統(tǒng)實(shí)際情況看，常見的有二余度、三余度、四余度，部分國外飛機(jī)還采用了五余度。需要注意的是，余度數(shù)目的增加會(huì)在一定程度上增加檢測(cè)、隔離及轉(zhuǎn)換裝置判斷等，降低系統(tǒng)可靠性。基于上述問題，在設(shè)計(jì)中必須確保系統(tǒng)余度安全性及可靠性，避免余度布局引起的質(zhì)量、體積及故障率等影響到系統(tǒng)運(yùn)行。綜合以上分析，該研究選擇的是三余度飛控計(jì)算機(jī)及飛行參數(shù)傳感器對(duì)余度航空電子系統(tǒng)模式進(jìn)行構(gòu)建。

圖1 不同余度數(shù)目的系統(tǒng)可靠度分析

1.2 三余度航空電子系統(tǒng)架構(gòu)

主控板與兩個(gè)接口板共同構(gòu)成了飛控計(jì)算機(jī)3個(gè)通道，溫度及壓力傳感器等均需掛于離散/模擬板下。GPS、無線電高度計(jì)等數(shù)字量傳感器需掛于數(shù)字量接口板下，接口板能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效采集，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量，進(jìn)而傳輸?shù)街骺匕?，通過軟件表決對(duì)控制率輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，然后再按照其類型依次輸出。一般情況下，無人機(jī)都由多個(gè)機(jī)載飛行參數(shù)傳感器組成，常見的有發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)傳感器、飛行姿態(tài)傳感器等，根據(jù)其數(shù)據(jù)類型可以劃分為離散量傳感器、模擬量傳感器以及數(shù)字量傳感器3種類型，每個(gè)傳感器均掛于其所對(duì)應(yīng)的接口板，無人機(jī)三余度航空電子系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖2所示。

圖2 無人機(jī)三余度航空電子系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 余度管理技術(shù)

作為余度設(shè)計(jì)的核心部分，余度管理方式的好壞直接關(guān)系著該系統(tǒng)的體積、重量以及運(yùn)行可靠程度，與此同時(shí)對(duì)費(fèi)用也起著決定性作用[7]。通常采用不同余度管理方式對(duì)余度數(shù)相同系統(tǒng)進(jìn)行管理能夠獲得較好的可靠度。余度設(shè)計(jì)最終使為了確保各項(xiàng)任務(wù)的高效實(shí)現(xiàn)，保障飛行安全。然而當(dāng)發(fā)生故障后，將會(huì)大大降低系統(tǒng)性能，該系統(tǒng)能夠?yàn)楣收纤矐B(tài)起到一定的保護(hù)作用。余度管理設(shè)計(jì)主要涉及到以下幾方面內(nèi)容：

2.1 數(shù)據(jù)交叉鏈路算法的實(shí)現(xiàn)

三余度飛控計(jì)算機(jī)最基本的工作為完成飛機(jī)計(jì)算系統(tǒng)各個(gè)通道的數(shù)據(jù)交換，促進(jìn)數(shù)據(jù)之間實(shí)時(shí)、高效傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)果的分析與對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中存在的故障，排除故障，為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供保障[8]。三余度飛控計(jì)算機(jī)的通訊主要依靠數(shù)據(jù)交叉鏈路實(shí)現(xiàn)，其充分采用了共享內(nèi)存技術(shù)，能夠過得最快最高效的方式，其在設(shè)計(jì)中應(yīng)用了雙口RAM，其單個(gè)芯片均配備兩組地址總線、控制總線與數(shù)據(jù)總線，除同時(shí)訪問一個(gè)存儲(chǔ)單元的情況，其余均可以采用兩個(gè)端口在同一時(shí)間內(nèi)實(shí)施對(duì)存儲(chǔ)單元的讀寫，兩者之間不會(huì)相互干擾[9]。其在訪問過程中主要通過片內(nèi)仲裁邏輯明確首先訪問哪個(gè)端口。數(shù)據(jù)交叉鏈路算法流程見圖3。

圖3 三余度飛控計(jì)算機(jī)CCDL算法流程

2.2 同步計(jì)算機(jī)的跨通道同步算法實(shí)現(xiàn)

通常，為確保航空電子系統(tǒng)在發(fā)生故障后能夠無縫切換，必須滿足計(jì)算機(jī)3個(gè)通道能夠?qū)崿F(xiàn)同步工作，首先，3個(gè)通道自程序開始包括在運(yùn)行的監(jiān)控周期等階段均要同步處理，使其能夠在同一時(shí)間點(diǎn)采集到相同傳感器的飛行參數(shù)，在同一拍工作，對(duì)于時(shí)鐘誤差積累要定時(shí)清除，避免輸出結(jié)果不一致。采用握手方式確保各通道同步，當(dāng)其進(jìn)入到監(jiān)控周期后，首先將所有中斷關(guān)閉，然后發(fā)出邏輯高的信號(hào)，實(shí)施同步離散量，與此同時(shí)在相同時(shí)間里對(duì)另外兩個(gè)通道輸出的信號(hào)進(jìn)行查詢，待握手結(jié)束，將中斷打開，輸出邏輯低，確保3個(gè)通道均輸出邏輯地離散，其流程如圖4所示。

圖4 三通道飛控計(jì)算機(jī)同步算法流程圖

2.3 監(jiān)控面算法的實(shí)現(xiàn)

余度系統(tǒng)設(shè)置監(jiān)控主要是滿足多個(gè)通道協(xié)調(diào)工作的需求，在設(shè)計(jì)過程中要符合可靠性、一致性及可控制律可重構(gòu)3大要求[10]。該研究的飛控系統(tǒng)主要包括兩個(gè)表決面。首先對(duì)各個(gè)余度傳感器的輸入信號(hào)給予飛控計(jì)算機(jī)多通道表決。采用多數(shù)通過法對(duì)離散量進(jìn)行表決，將三余度傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤w控計(jì)算機(jī)相應(yīng)的3個(gè)通道能夠得到9個(gè)離散量，若所有離散量相加結(jié)果為9或0，取采樣值[11]，若相加＜5取0，當(dāng)輸入值相加得1提示存在瞬態(tài)故障，當(dāng)＞5時(shí)取1。對(duì)控制率計(jì)算輸出結(jié)果實(shí)施軟件表決，剩余通道信號(hào)采用交叉數(shù)據(jù)傳遞，傳輸與執(zhí)行終端輸出量的正確性與飛行器安全運(yùn)行息息相關(guān)，因此，必須確保輸出量的可靠性。輸出監(jiān)控表決也需要實(shí)施監(jiān)控、表決，其方式與輸入監(jiān)控相同。

2.4 故障監(jiān)控與隔離的實(shí)現(xiàn)

余度系統(tǒng)要有專門的監(jiān)控器對(duì)其系統(tǒng)故障進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的故障，并對(duì)其實(shí)施隔離措施，確保系統(tǒng)處于中立位置，將存在故障的通道斷開，各通道工作狀態(tài)都能夠通過系統(tǒng)感知，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的檢測(cè)與隔離[12]。本研究采用的是比較監(jiān)控技術(shù)，其主要是利用通道間的差異對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別，具有較高的覆蓋率，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所有通道數(shù)據(jù)的相互比較，并將其差值反映到觸發(fā)電路。

3 可靠性建模分析

采用一階馬爾科夫過程分析法對(duì)多余度可靠性進(jìn)行分析，該方法操作簡(jiǎn)單，無需考慮系統(tǒng)瞬態(tài)故障與多故障恢復(fù)功能，但難以對(duì)真實(shí)情況予以反應(yīng)，該研究結(jié)合具體的可靠指標(biāo)對(duì)一次故障、二次故障安全進(jìn)行判斷，并作出相應(yīng)的處理[13]，構(gòu)建馬爾科夫可靠性數(shù)學(xué)模型，其狀態(tài)模型如圖5所示。其中S0～S3分別代表的是4種狀態(tài)[14]。通常多余度航空電子系統(tǒng)處理一個(gè)任務(wù)周期在20 ms，其仍存在多故障并發(fā)的可能性[15]，基于這一考慮，必須采用多故障處理，根據(jù)數(shù)值計(jì)算，可以對(duì)各個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)概率進(jìn)行計(jì)算，見表1。

圖5 多余度航空電子系統(tǒng)狀態(tài)模型

表1 系統(tǒng)可靠性狀態(tài)模型數(shù)值解結(jié)果

4 結(jié)束語

研究探究了三余度機(jī)載航空電子系統(tǒng)余度架構(gòu)，并對(duì)其管理技術(shù)進(jìn)行分析，該研究項(xiàng)目已經(jīng)應(yīng)用于無人直升機(jī)演示驗(yàn)證，效果顯著，其能夠?qū)ξ磥碛喽认到y(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。