余度計算機在無人機系統(tǒng)中的應用研究

蘇明杰，嚴 明

（火箭軍裝備部裝備招標中心，北京 100085）

1 引言

無人機的全稱是無人駕駛飛行器，是一種由無人駕駛、動力驅(qū)動且可復用的航空器。相比較于傳統(tǒng)飛行器，其成本低、效費比高，更主要的是沒有飛行人員的傷亡，在執(zhí)行危險系數(shù)較大、人力成本較高或是難度巨大的任務中有較大的優(yōu)勢[1-3]。

近年來，無人機的研制取得了突破性的進展。其性能大幅提高了，在民用、軍用領域的應用范圍也越來越廣。從最初作為靶機使用，到現(xiàn)在作為空中偵察平臺和武器平臺，執(zhí)行偵察監(jiān)視、對地攻擊、電子干擾等多功能的任務，無人機在軍事領域的位置越來越重要，尤其是在高空、長航時以及中繼等方面。這使得人們對無人機的可靠性要求越來越高。飛控計算機是無人機飛行控制系統(tǒng)的核心部件之一，其在承擔無人機飛行控制任務的同時，還負責機載設備的健康管理和調(diào)度工作，是飛行任務順利完成的重中之重。綜上，有效提升飛控計算機的可靠性，是強化飛機安全的重要保障。由于飛控計算機的故障（可能很小的故障）導致的災難性的后果的例子不勝枚舉。

在世界無人機領域，提高飛控計算機可靠性的途徑主要有兩種：排錯和容錯。所謂排錯，就是通過設計，提前避免故障，此種方式多樣，既可從元器件的選型上入手，也可從工藝上提升飛控計算機元器件的技術(shù)含量，通過嚴格的質(zhì)量檢驗和完整的振動試驗、高低溫實驗等多種檢驗方式，對零部件進行全面檢測。還可以總體從設計的角度，對系統(tǒng)進行電磁屏蔽設計，從而減少干擾。通過以上措施提高可飛控計算機的可靠性。但此類技術(shù)的局限性是非常明顯的，通常來講，高可靠性元器件需要經(jīng)過特殊工藝制造，勢必造成成本上升，而且這種方法僅僅能降低失效情況發(fā)生的概率，沒有失效發(fā)生時所需要的糾錯能力，這就導致了系統(tǒng)的失效率降低并不是非常明顯，在可靠度要求特別高的領域無法滿足需求。于是提高飛控計算機可靠性的另一種途徑——容錯技術(shù)應運而生。即在發(fā)生硬件故障或存在軟件錯誤的情況下仍能完成任務的計算機，也可以理解成故障的容忍度、糾錯度?，F(xiàn)實的飛行器主控計算機設計中需要結(jié)合多種容錯技術(shù)才能實現(xiàn)這一目標。而容錯技術(shù)的核心方法之一就是余度技術(shù)，即通過給計算機增加一些“冗余”的部件來提高系統(tǒng)的可靠性。從飛控計算機的體系結(jié)構(gòu)設計入手，通過提高系統(tǒng)的可靠性、容錯性，實現(xiàn)當故障發(fā)生時，能夠即時響應錯誤，并使用冗余資源消除故障，從而大大提高了系統(tǒng)的健康度。此方法是目前最為推崇的做法，許多新發(fā)展的飛行器，其控制系統(tǒng)的核心部分均采用了此種余度技術(shù)。

2 國內(nèi)外應用與現(xiàn)狀

通過為控制系統(tǒng)添加多種資源（硬件或者軟件），實現(xiàn)資源冗余，結(jié)合優(yōu)秀的調(diào)度管理算法和健康管理系統(tǒng)，大大提高飛行系統(tǒng)的可靠性。在面對惡劣環(huán)境和特殊任務等無法滿足失效發(fā)生的領域，最有效的方法就是多余度冗余架構(gòu)設計。

從事余度技術(shù)研究工作的機構(gòu)有很多，經(jīng)過多年發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)是一門成熟的技術(shù)，形成了完整的設計體系和參考方法。

近年來，在周邊國家沖突不斷，國家下決心大力發(fā)展的背景下，無人機技術(shù)取得了很大發(fā)展。無人機研究結(jié)構(gòu)也如雨后春筍般建立，多家知名高校、研究院、民營單位都在無人機領域取得了不小的成就。

為了縮短與國際發(fā)達國家間在無人機技術(shù)上的差距，實現(xiàn)彎道超車，大幅提高無人機可靠性、容錯性的研究成為了重點研究對象。在現(xiàn)有成果的基礎上，逐步將容錯技術(shù)、余度技術(shù)、糾錯技術(shù)等放入無人機的研制中。無人機的飛行控制系統(tǒng)將計算機技術(shù)和硬件余度技術(shù)、軟件容錯技術(shù)合理地整合在一起，實現(xiàn)故障自診斷、自修復、自主飛行功能，組成以飛控計算機為核心的余度飛行控制系統(tǒng)?！安屎纭毕盗袩o人機體現(xiàn)了中國航天空氣動力技術(shù)研究院依托空氣動力學和飛行力學方面的技術(shù)優(yōu)勢，“彩虹-4”無人機具備中空長航時偵察打擊一體化系統(tǒng)，在余度技術(shù)方面采用了主從熱備份雙余度結(jié)構(gòu)。

3 余度方案概念介紹

余度技術(shù)，也叫容錯技術(shù)，是提高系統(tǒng)任務可靠性與安全可靠性的一種重要手段。它通過為系統(tǒng)增加余度資源，實現(xiàn)對多重資源的合理管理，使得當部分部件發(fā)生故障時不影響或者少影響系統(tǒng)功能與性能，從而提高系統(tǒng)任務可靠性。下面從余度數(shù)目、模式、通道以及策略等方面展開介紹。

3.1 余度數(shù)目的選擇

余度技術(shù)的核心思想是：用冗余度換可靠性。即當部件發(fā)生故障時，能夠在不影響或者是降低影響系統(tǒng)的前提下，保證主要任務的順利完成，進而確保任務完成率。余度資源的種類有很多，大體上可歸納為硬件資源、軟件資源、信息資源以及邏輯資源。但是，余度資源增加同時增加了系統(tǒng)的復雜度，從概率上講，會增大系統(tǒng)的出錯率。也就是說，若設計不當，會造成系統(tǒng)可靠性不升反降的效果。綜合來講，余度數(shù)要因系統(tǒng)需求而定，不能一概而論。綜合考慮消耗資源、余度配置、余度管理水平等諸多因素。借鑒成功的經(jīng)驗，可參考的設計主要有雙余度、三余度和四余度容錯結(jié)構(gòu)，其區(qū)別如表1 所示。

可以看出余度系統(tǒng)可靠性與余度數(shù)目是非線性比例的，也就是說，隨著余度數(shù)目增加，系統(tǒng)可靠性減緩甚至變差，同時，系統(tǒng)設計和維修成本、復雜度、設計周期驟然提高和軟件實現(xiàn)難度巨大。因此國內(nèi)無人機余度計算機的架構(gòu)和方案，在考慮任務可靠性、功耗、質(zhì)量、體積、費用、余度管理水平以及借鑒成熟的余度設計經(jīng)驗后，一般采用成熟的三余度架構(gòu)方案，既可以達到FO/FO/FS 的故障容忍等級（即二次故障后，無人機仍能安全），又能節(jié)省成本和縮短研制周期[4]。

表1 不同余度數(shù)量下優(yōu)缺點比較

3.2 余度模式的選擇

余度構(gòu)型（也可稱為余度模式）通常有相似余度、非相似余度。合理的余度構(gòu)型是余度設計最早也是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。相似余度使用完全相同的軟硬件技術(shù)，其主要特點是技術(shù)成熟度高、開發(fā)周期快，缺點是共模故障頻發(fā)且解決難度大。非相似余度采用不同的軟硬件技術(shù)，硬件和軟件相互獨立，在處理器、語言、協(xié)議等選型上彼此獨立。如此操作的好處就是余度故障也是獨立的，避免了共性故障的發(fā)生。缺點是系統(tǒng)的設計難度、復雜程度以及開發(fā)難度大大增加，導致研發(fā)周期和費用大幅增加，導致隨機故障率增大。

綜合考慮系統(tǒng)的需求，國內(nèi)飛控計算機的余度模式方案采用同構(gòu)型余度的模式比較多。

3.3 余度通道工作方式的選擇

余度通道的工作方式可以分為主動并列式和備用切換方式。

主動并列運行。系統(tǒng)內(nèi)冗余通道同時工作，采用表決器模式進行輸出控制?？杉毞譃榉旨売喽群驼麢C余度，其主要差別在于表決面的設計。整機余度只在最后輸出級有表決面，而分級余度在開始輸入信號采集端、中間的計算機級及最后的輸出級都設有表決面。這也就是分級余度模式可靠性優(yōu)于整機余度可靠性的原因所在。

備用切換方式。系統(tǒng)中有且只有一個通道在工作，其他狀態(tài)的通道在掛起狀態(tài)。當工作通道發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動切換到可用的備用通道，保障工作的順利進行。根據(jù)備用通道在的狀態(tài)可分為冷備份和熱備份，其主要差異在于熱備份以功耗增加為代價，出現(xiàn)故障時響應快、實時性好；冷備份雖然功耗較低，但出現(xiàn)故障時實時性差。

考慮到飛控機算計可靠性、系統(tǒng)余度策略以及技術(shù)實現(xiàn)等因素，大多數(shù)無人機都采用并聯(lián)熱備份方式。

3.4 余度管理策略

余度飛行控制計算機設計的關(guān)鍵余度管理策略設計。它能夠保證當故障被檢測出時，快速地對故障類型進行診斷、分類，隨后對故障進行處理并快速完成系統(tǒng)的重構(gòu)工作，使系統(tǒng)處于可正常工作的狀態(tài)。余度管理策略能夠?qū)崟r監(jiān)控故障的發(fā)生，從而降低系統(tǒng)吸能損失，進而保證非系統(tǒng)安全。一個合理的余度管理策略設計需要包括信號監(jiān)控和表決、故障檢測與診斷、故障隔離和系統(tǒng)重構(gòu)等要素。

4 余度計算機的方案及應用

依據(jù)以上各方面的研究、分析以及選擇，結(jié)合國內(nèi)外無人機余度技術(shù)的發(fā)展，本文提出國內(nèi)某型無人機用余度飛控計算機的方案進行分析研究，其系統(tǒng)原理如圖1 所示。

飛控計算機系統(tǒng)主要由主計算機模塊三余度、電源模塊兩余度、底板以及機箱等四個功能部分組成。該飛控計算機方案主要是綜合考慮了質(zhì)量、體積以及性價比等方面的需求，沒有完全采用三個完全相同的飛控計算機硬件，而是采用三個完全相同主計算機模塊實現(xiàn)計算機的余度。方案在滿足可靠性需求的基礎上，具備質(zhì)量輕、體積小以及低成本的特性。

圖1 余度飛控計算機方案原理框圖

飛控計算機使用3 個設計完全相同的主計算機模塊實現(xiàn)。每個主計算機模塊上包括2 路總線：1M 1553B 總線A、B 通道和4M 1553B 總線A、B 通道。三機均作為1M/4M 總線上的獨立節(jié)點，三機工作時，在4M 1553B 總線上，當班機作BC，負責總線消息調(diào)度。其他兩機作MT 監(jiān)控總線上的所有消息，并將與飛控計算機有關(guān)的數(shù)據(jù)篩選出來用于DSP 應用軟件，確保三機DSP 軟件工作流程一致。在1M 153B 總線上，當班機作RT，負責與中心控制計算機通訊。其他兩機作MT 監(jiān)控總線上的所有消息，并將與飛控計算機有關(guān)的數(shù)據(jù)篩選出來提供給DSP 應用軟件，確保三機DSP軟件工作流程一致。

當當班機（即BC）發(fā)生故障時，按照切換策略切換當班權(quán)，整機系統(tǒng)降級。切換當班權(quán)也就是切換1553B 的工作模式，將作為MT 的熱備機切換為BC 或RT，作為新的當班機。直至兩次故障后，計算機降級為單機模式，達到FO/FO/FS 的故障容忍度。

該型飛控計算機已完成產(chǎn)品的研制和試驗，各項性能指標滿足飛控系統(tǒng)的需求，工作穩(wěn)定可靠。其以質(zhì)量輕、體積小、成本低以及可靠性高等特點在某系列無人機中得到廣泛應用[5]。

5 結(jié)論

隨著航空和電子技術(shù)的發(fā)展，余度計算機技術(shù)在飛控計算機中的應用越來越廣，依據(jù)不同的需求，國內(nèi)出現(xiàn)了多型兩余度、三余度相似結(jié)構(gòu)成熟的飛控計算機產(chǎn)品。綜合分析各項實驗及應用數(shù)據(jù)能夠明顯的看出，通過在設計中加入余度技術(shù)，使用余度計算機，能夠極大地提高無人機飛控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，對無人機在軍用領域的應用推廣是極為有利的保證。

非相似余度由于系統(tǒng)復雜、開發(fā)難度大、周期長以及費用高等因素影響發(fā)展比較緩慢，由于其高可靠性的優(yōu)點，僅在有人機上得到應用，希望隨著技術(shù)的進步，非相似余度計算機能夠得到發(fā)展，這樣會更加促進無人機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。