無人機(jī)航空電子余度技術(shù)研究

無人機(jī)航空電子余度技術(shù)研究

0基于余度技術(shù)的航空控制系統(tǒng)飛機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性直接決定了飛機(jī)系統(tǒng)的生存能力和任務(wù)執(zhí)行能力。提高航空電子系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力,單純依靠提高單個(gè)元器件或者部件的質(zhì)量和裝配工藝已經(jīng)很難達(dá)到無人機(jī)系統(tǒng)的要求了,而余度技術(shù)的應(yīng)用可以有效地提高飛控計(jì)算機(jī)和傳感器的可靠性和容錯(cuò)能力。采用余度技術(shù)設(shè)計(jì)航空電子系統(tǒng),其實(shí)質(zhì)是通過增加余度資源,并及時(shí)切除故障部件,從而提高無人機(jī)系統(tǒng)的安全性和可靠性。本文通過分析多余度航空電子系統(tǒng)的可靠度,選取了合適的航空電子系統(tǒng)余度構(gòu)型,并研究了采用余度的航空電子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)——余度管理,為無人機(jī)航空電子系統(tǒng)余度設(shè)計(jì)提供了可供參考的依據(jù)。1基于航空電子的冗余設(shè)計(jì)方案余度構(gòu)型方案主要涉及航空電子系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)余度數(shù)目的選擇、飛控計(jì)算機(jī)和飛行參數(shù)傳感器的架構(gòu)和余度協(xié)調(diào)方案等問題。1.1r/n余度目的系統(tǒng)可靠性分析余度設(shè)計(jì)是系統(tǒng)或者設(shè)備獲得高任務(wù)可靠性、高安全性和高生存能力的設(shè)計(jì)方法之一。余度設(shè)計(jì)是指需要出現(xiàn)兩個(gè)或者兩個(gè)以上的獨(dú)立故障,才能引起產(chǎn)品所定義的不希望發(fā)生的失效的一種設(shè)計(jì)方法。換言之,余度設(shè)計(jì)就是采用多套可靠性不太高的分系統(tǒng)或設(shè)備構(gòu)成高的任務(wù)可靠性或安全性的系統(tǒng)。對(duì)于無人機(jī)機(jī)載航空電子系統(tǒng)來說,各單元的可靠度均服從指數(shù)分布原則。一般來說,串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度低于任何一個(gè)單獨(dú)的單元的可靠度,而并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度隨著串聯(lián)系統(tǒng)的單元數(shù)的增加而提高。設(shè)單獨(dú)的通道的可靠度為Ri(t),則其不可靠度為1-Ri(t)。由n個(gè)環(huán)節(jié)組成的航空電子系統(tǒng)中,正常工作的環(huán)節(jié)的數(shù)目不小于r,系統(tǒng)就能正常工作,不會(huì)發(fā)生故障,這樣的系統(tǒng)稱為r/n系統(tǒng)。若采用r/n系統(tǒng)模型,假設(shè)各環(huán)節(jié)的可靠度相等,且為R(t),則系統(tǒng)的可靠度的數(shù)學(xué)模型為:R(t)s=∑i=rnCinRi(t)(1?R(t))n?iR(t)s=∑i=rnCniRi(t)(1-R(t))n-i一般來說,環(huán)節(jié)或者元件的可靠度都服從指數(shù)分布,即R(t)=e-λt,則對(duì)于不同余度數(shù)目的系統(tǒng)來說,設(shè)r=2,則系統(tǒng)的可靠度為:R2(t)=?e?2λtR3(t)=?2e?3λt+3e?2λtR4(t)=3e?4λt?8e?3λt+6e?2λtR5(t)=?4e?5λt+15e?4λt?20e?3λt+10e?2λtR2(t)=-e-2λtR3(t)=-2e-3λt+3e-2λtR4(t)=3e-4λt-8e-3λt+6e-2λtR5(t)=-4e-5λt+15e-4λt-20e-3λt+10e-2λt將上面各式的曲線繪制在同一個(gè)圖形中可以得到在不同余度數(shù)目下系統(tǒng)可靠度隨時(shí)間變化的曲線圖,其中參數(shù)λ取相同的值。如圖1所示。由圖1可見,余度系統(tǒng)提高任務(wù)可靠性或者安全性的效果并不與余度的數(shù)目成正比。對(duì)于簡單的并聯(lián)余度系統(tǒng)來說,隨著余度數(shù)目的增加,任務(wù)的可靠性或安全性的增加會(huì)變得越來越慢。因此,最終余度數(shù)的選擇要通過綜合權(quán)衡任務(wù)的可靠性、安全性、器件或者模塊的重量、體積、費(fèi)用以及余度管理水平等等各個(gè)方面后才能確定。目前,大部分飛行器內(nèi)部分系統(tǒng)級(jí)主要采用二余度、三余度和四余度,少數(shù)國外飛機(jī)也有采用五余度或雙—三余度的。應(yīng)該注意,不是余度系統(tǒng)的余度數(shù)目越多,任務(wù)的可靠性就越高。余度數(shù)目的增多,相應(yīng)的檢測(cè),判斷隔離和轉(zhuǎn)換裝置必然會(huì)增多,這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性降低。故設(shè)計(jì)中應(yīng)該保證由于系統(tǒng)余度帶來的系統(tǒng)的可靠性和安全性的提高不會(huì)被系統(tǒng)余度布局所需要的裝置的故障率和質(zhì)量、體積對(duì)系統(tǒng)的安全性和可靠性的降低所抵消。基于上述分析和上圖曲線結(jié)論,本余度系統(tǒng)采取三余度飛控計(jì)算機(jī)和三余度飛行參數(shù)傳感器的余度航空電子系統(tǒng)模式。1.2控制律的輸出飛控計(jì)算機(jī)3個(gè)通道均由主控板和兩個(gè)接口板(離散量/模擬量接口板和數(shù)字量接口板)組成,其中離散量/模擬量板下掛模擬量和離散量傳感器,如各種溫度、壓力傳感器等;數(shù)字量接口板下掛所有數(shù)字量傳感器,如GPS、無線電高度計(jì)等;接口板將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后,全部轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。經(jīng)過轉(zhuǎn)換的各種數(shù)字量傳輸至主控板,在主控板中經(jīng)過軟件的表決算法選出控制律的輸入數(shù)據(jù)。主控板的主要程序就是控制律,經(jīng)過控制律解算出的數(shù)據(jù)按照類型依次經(jīng)過表決后輸出。無人機(jī)機(jī)載飛行參數(shù)傳感器數(shù)量較多,包括飛行姿態(tài)傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)傳感器以及供電系統(tǒng)傳感器等等。按照傳感器的數(shù)據(jù)類型,可以將其分為三大類:離散量傳感器、模擬量傳感器和數(shù)字量傳感器。3種傳感器分別下掛在飛控計(jì)算機(jī)各個(gè)通道下的離散量/模擬量接口板和數(shù)字量接口板下面。圖2是無人機(jī)三余度航空電子系統(tǒng)架構(gòu)簡圖。飛行參數(shù)傳感器的余度構(gòu)型確定為計(jì)算機(jī)監(jiān)控三余度熱備份模式,系統(tǒng)中某三余度參數(shù)傳感器的工作結(jié)構(gòu)圖如圖3所示?；闊醾浞莸漠悩?gòu)傳感器A、傳感器B與傳感器C同時(shí)工作,采集與飛行控制相關(guān)的同源參數(shù),并全部輸出到飛控計(jì)算機(jī)各個(gè)通道。計(jì)算機(jī)各通道先后接收到來自傳感器A、B、C的飛行參數(shù)之后,通過軟件方式對(duì)3個(gè)傳感器進(jìn)行比較監(jiān)控,最后將3個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入表決,表決結(jié)果作為飛控計(jì)算機(jī)的輸入?yún)?shù),經(jīng)過控制律解算出當(dāng)前要輸出給各個(gè)控制終端的輸出數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)3個(gè)通道通過交叉數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)分別獲取其余兩個(gè)計(jì)算機(jī)的解算結(jié)果,并通過軟件表決算法最終確定由其中的一個(gè)通道的輸出值作為飛控系統(tǒng)的最終輸出。2余度管理設(shè)計(jì)余度管理技術(shù)是余度設(shè)計(jì)的核心,余度管理方式的優(yōu)劣對(duì)余度系統(tǒng)的可靠性、重量、體積、費(fèi)用等起著決定性的作用。余度數(shù)相同,但是采用不同的余度管理方式,可以獲得大不相同的可靠度。余度設(shè)計(jì)的目的是最大限度的提高完成任務(wù)的可靠性和飛行安全性;能夠使系統(tǒng)在正常工作時(shí)高效的運(yùn)行;在產(chǎn)生故障后,系統(tǒng)的性能降低最小,并能夠?qū)收纤矐B(tài)提供保護(hù)。余度管理設(shè)計(jì)主要包括以下的任務(wù)和內(nèi)容:1)數(shù)據(jù)交叉鏈路算法;2)同步計(jì)算機(jī)的跨通道同步算法;3)監(jiān)控/表決面算法;4)故障監(jiān)控與隔離。通過上述余度管理的各個(gè)任務(wù)和內(nèi)容的分析與設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)余度管理策略的高效性,提高系統(tǒng)的安全性與可靠性。2.1雙口ram通信通道飛控計(jì)算機(jī)各通道之間的數(shù)據(jù)交換是三余度飛控計(jì)算機(jī)正常工作的基礎(chǔ),只有進(jìn)行實(shí)時(shí)、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸,才能及時(shí)的比較數(shù)據(jù)結(jié)果、發(fā)現(xiàn)故障、解除故障,從而確保全系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。數(shù)據(jù)交叉鏈路(CrossCommunicationDataLink,CCDL)是整個(gè)三余度飛控計(jì)算機(jī)互相通訊的通道。雙機(jī)之間通信最快、最高速的方式就是利用共享內(nèi)存技術(shù),此處設(shè)計(jì)采用雙口RAM作為通信通道。雙端口RAM的主要特點(diǎn)是每個(gè)芯片都有兩組數(shù)據(jù)總線、地址總線及控制總線,只要不是同時(shí)訪問同一個(gè)存儲(chǔ)單元,就允許兩個(gè)端口同時(shí)對(duì)片內(nèi)的任何存儲(chǔ)單元進(jìn)行獨(dú)立的讀寫操作而互不干擾,如果兩個(gè)端口同時(shí)訪問同一個(gè)存儲(chǔ)單元,則由片內(nèi)的仲裁邏輯決定訪問哪個(gè)端口。為了提高本文所述CCDL的容錯(cuò)性,設(shè)計(jì)了由3個(gè)雙口RAM構(gòu)成的CCDL(結(jié)構(gòu)圖見圖2),其中計(jì)算機(jī)3個(gè)通道分別為主、備飛控計(jì)算機(jī)通道,其中備用通道計(jì)算機(jī)做熱備份。數(shù)據(jù)交叉鏈路的算法流程圖如圖4所示。2.2同步算法的實(shí)現(xiàn)方式在飛行過程中,為了滿足航空電子系統(tǒng)在故障后的無縫切換的需求,計(jì)算機(jī)的3個(gè)通道之間必須進(jìn)行同步工作。在程序開始和各個(gè)監(jiān)控周期的開始階段,飛控計(jì)算機(jī)的3個(gè)通道之間都要進(jìn)行同步處理。同步的目的是使飛控計(jì)算機(jī)的3個(gè)通道能夠在同一時(shí)刻采集相同傳感器采集到的飛行參數(shù),使得飛控計(jì)算機(jī)的3個(gè)通道在同一拍工作,并且清除各自的時(shí)鐘誤差積累,從而防止3個(gè)通道控制律解算輸出結(jié)果不一致。同步算法的實(shí)現(xiàn)方式:實(shí)現(xiàn)各通道同步采用握手方式。飛控計(jì)算機(jī)各通道進(jìn)入監(jiān)控周期后,先關(guān)閉所有中斷,隨后輸出一個(gè)“邏輯高”信號(hào)來同步離散量,然后在限定的時(shí)間段里查詢另外兩個(gè)通道輸出的“邏輯高”信號(hào)。在握手完畢后,打開中斷,輸出一個(gè)“邏輯低”,使3個(gè)通道均保持同步離散輸出為邏輯低。同步算法的實(shí)現(xiàn)流程圖如圖5所示。2.3飛控計(jì)算機(jī)控制律的重構(gòu)余度系統(tǒng)設(shè)置監(jiān)控/表決面的目的是使多個(gè)通道之間工作協(xié)調(diào)可靠。其設(shè)置原則如下:滿足系統(tǒng)可靠性要求:監(jiān)控/表決面的設(shè)置是將余度系統(tǒng)分為若干級(jí),使得生存通道增多,系統(tǒng)的可靠性提高,但是受到檢測(cè)/轉(zhuǎn)換部件的故障率的限制。滿足信號(hào)的一致性要求:飛控計(jì)算機(jī)各個(gè)通道的輸入信號(hào)的選擇必須一致才能使得控制律計(jì)算輸出值一致,通過表決面的選擇才能使飛控系統(tǒng)最終輸出最佳結(jié)果給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。滿足控制律可重構(gòu)要求:通過監(jiān)控/表決面的設(shè)置,可以確切鑒定出哪種傳感器故障,從而實(shí)現(xiàn)控制律重構(gòu),使飛行過程穩(wěn)定可控。本飛控系統(tǒng)設(shè)置了兩個(gè)表決面:1)飛控計(jì)算機(jī)各通道對(duì)來自于各余度傳感器的輸入信號(hào)進(jìn)行軟件表決(1)系統(tǒng)通道離散量的值加離散量采用多數(shù)通過法,即三余度傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺喽蕊w控計(jì)算機(jī)3個(gè)通道中就可以得到9個(gè)離散量,如果3個(gè)通道得到的9個(gè)離散量的值加在一起等于9或者0,則輸入表決值取采樣值;當(dāng)計(jì)算機(jī)的3個(gè)通道離散量的值加在一起小于5時(shí),輸入表決值取為0,輸入值為1的通道記一次瞬態(tài)故障;當(dāng)計(jì)算機(jī)的3個(gè)通道的離散量的值加在一起大于5時(shí),輸入表決值取為1,輸入值為0的通道記一次瞬態(tài)故障。(2)模擬量數(shù)據(jù)篩選模擬量的表決算法采取中值法,若分別用Ai、Bi、Ci(i=1,2,3)表示飛控計(jì)算機(jī)A、B、C三通道采集到的三余度傳感器模擬量數(shù)據(jù),每個(gè)通道都先將本通道采集到的模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行門限范圍篩選,淘汰掉門限范圍之外的數(shù)據(jù)之后,將有效的數(shù)據(jù)取平均值分別記為A、B、C;三通道各自計(jì)算出一個(gè)平均值之后,按照3個(gè)數(shù)據(jù)的大小進(jìn)行排隊(duì),假設(shè)A為最大值,B為中間值,C為最小值,其流程示意圖如圖6所示。(3)其他通道的運(yùn)行首先將各個(gè)通道輸入的各組數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性比較,若比較結(jié)果一致,表決值取各輸入值的均值;若比較結(jié)果不一致,表決值取各故障安全值的均值。2)飛控計(jì)算機(jī)對(duì)各通道的控制律計(jì)算輸出結(jié)果進(jìn)行軟件表決,其余各通道的信號(hào)是通過交叉數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行傳遞由于傳輸至執(zhí)行終端的輸出量的正確與否直接關(guān)系到飛行器的飛行安全,所以保證輸出量的正確可靠是極為重要的。與輸入監(jiān)控表決相同,輸出監(jiān)控表決同樣必須對(duì)離散量、模擬量和數(shù)字量進(jìn)行監(jiān)控與表決,其監(jiān)控/表決方式、策略均與輸入監(jiān)控表決相同。2.4監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用余度系統(tǒng)必須要有檢測(cè)故障的監(jiān)控器,其主要作用在于檢測(cè)系統(tǒng)中有沒有故障出現(xiàn),還要把出現(xiàn)故障的通道采用相應(yīng)的措施隔離,使系統(tǒng)回到中立位置,或者直接斷開帶有故障的通道。系統(tǒng)感受各通道的工作狀態(tài),從而檢測(cè)并隔離故障的方法稱為監(jiān)控技術(shù)。監(jiān)控技術(shù)分為比較監(jiān)控和自監(jiān)控兩種。本文采取的就是比較監(jiān)控技術(shù)。自監(jiān)控是指被監(jiān)控的對(duì)象需要借助在自身內(nèi)部專門設(shè)置的故障檢測(cè)裝置來檢測(cè)故障。自監(jiān)控技術(shù)比較復(fù)雜,故障覆蓋率較低,應(yīng)用較少。比較監(jiān)控是借助于相同或者相似的通道之間的差異來檢測(cè)和識(shí)別故障的方法。當(dāng)前大多數(shù)監(jiān)控都采用比較監(jiān)控,這是由于比較監(jiān)控直觀簡單,覆蓋率很高,在工程實(shí)踐中經(jīng)常使用交叉數(shù)據(jù)通道比較監(jiān)控,即把所有通道的輸入進(jìn)行兩兩比較,取其差值輸入到觸發(fā)電路中去,當(dāng)該差值超過規(guī)定為門限值的時(shí)候,觸發(fā)電路給出故障信號(hào),但是相似余度的交叉通道監(jiān)控?zé)o法檢測(cè)出共性故障,共性故障在同一時(shí)刻對(duì)同一操作對(duì)象產(chǎn)生的相同的錯(cuò)誤結(jié)果會(huì)造成災(zāi)難性后果。3系統(tǒng)可靠性評(píng)估對(duì)于多余度系統(tǒng)的可靠性分析通常采用一階馬爾科夫過程的分析方法,既不考慮系統(tǒng)瞬態(tài)故障恢復(fù)的功能和多故障發(fā)生的情況。這種方法雖然簡單但不能滿足系統(tǒng)的真實(shí)狀況,所以本文根據(jù)具體的可靠性指標(biāo)所要求的一次故障、兩次故障安全,并具有多故障處理能力,建立了馬爾科夫可靠性分析的數(shù)學(xué)模型,采用馬爾科夫隨機(jī)過程狀態(tài)空間模型描述容錯(cuò)計(jì)算機(jī)的可靠性狀態(tài)模型,如圖7所示。圖中S0~S3定義了4種狀態(tài):S0為系統(tǒng)無故障狀態(tài),S1為系統(tǒng)有1個(gè)故障狀態(tài),S2為系統(tǒng)有2個(gè)故障狀態(tài),S3為系統(tǒng)全部故障狀態(tài)。Pij定義為在時(shí)間間隔Δt內(nèi)系統(tǒng)由狀態(tài)Si到Sj的轉(zhuǎn)移概率(其中i,j=0~3)。在多余度航空電子系統(tǒng)中,系統(tǒng)的任務(wù)處理周期為20ms。盡管在20ms的系統(tǒng)周期內(nèi)系統(tǒng)多故障并發(fā)的概率是極小的,但是可能性還是有的,并且在余度管理中也充分考慮到了多故障并發(fā)的