無人機多余度航空電子系統設計與應用

楊璐

（西安航空職業技術學院陜西西安710089）

近年來，我國航空電子技術得到了空前的發展，其系統可靠性與安全性與無人機系統息息相關，一方面影響著無人機系統生存能力，另一方面也關系著其任務執行效率[1]。單純依賴某個元件質量及裝配工藝提升，很難滿足無人機系統要求[2]。近年來，余度技術在無人機系統設計中得以應用，其能夠促進飛控計算機可靠性能力的提升，及時處理故障部件，具有較高的安全性[3]，因此，對無人機多余度航空電子系統設計與應用的研究有著重要的實踐意義與應用價值。

1 構型方案設計

1.1 余度數目及系統可靠性的選擇

余度設計對于航空電子系統相關設備運行可靠性、安全性有著極為重要的作用。所謂余度設計主要指的是當發生兩個及兩個以上獨立故障所造成的產品失效設計方法[4]，簡單來講，就是將多個低可靠性分系統、設備等進行組合使其形成一個具有較高安全性、可靠性的系統[5]。無人機機載航空電子系統中的每個單元均遵循指數分布的原則。與單獨單元可靠度相比，串聯系統可靠度相對較低。且當串聯系統單元數增多時，并聯系統可靠度也會隨之增加。假設采用Ri（t）表示單獨通道可靠度，那么其不可靠度則為1-Ri（t）[6]，一般情況下，n個環節組成的航空電子系統至少包含了r個正常工作環節，才能確保系統順利工作，其被稱作是r/n系統，若各個環節可靠度均為R（t），那么可以采用數學模型對其系統可靠度進行表示：

通常，元件及各個環節可靠度均呈現出指數分布特點，R（t）=e-λt，假設r為 2，那么可以將其系統可靠度表示為：

上述公式可以通過曲線的方式繪制在同一圖形中，隨著時間的變化，其可靠度也會發生相應的變化，假設λ取值相同，具體見圖1。可以發現，余度數目事實上并不與任務可靠性、安全性表現為正相關關系。通常，簡單的并聯余度系統當期余度數目增加時，任務安全性增加將會逐漸緩慢，必須對其各項任務可靠性權衡之后才能夠確定[6]。從當前飛行棋內部分系統實際情況看，常見的有二余度、三余度、四余度，部分國外飛機還采用了五余度。需要注意的是，余度數目的增加會在一定程度上增加檢測、隔離及轉換裝置判斷等，降低系統可靠性。基于上述問題，在設計中必須確保系統余度安全性及可靠性，避免余度布局引起的質量、體積及故障率等影響到系統運行。綜合以上分析，該研究選擇的是三余度飛控計算機及飛行參數傳感器對余度航空電子系統模式進行構建。

圖1 不同余度數目的系統可靠度分析

1.2 三余度航空電子系統架構

主控板與兩個接口板共同構成了飛控計算機3個通道，溫度及壓力傳感器等均需掛于離散/模擬板下。GPS、無線電高度計等數字量傳感器需掛于數字量接口板下，接口板能夠實現對數據的有效采集，并對其進行相應的處理，轉化成為數字量，進而傳輸到主控板，通過軟件表決對控制率輸入數據進行計算，然后再按照其類型依次輸出。一般情況下，無人機都由多個機載飛行參數傳感器組成，常見的有發動機參數傳感器、飛行姿態傳感器等，根據其數據類型可以劃分為離散量傳感器、模擬量傳感器以及數字量傳感器3種類型，每個傳感器均掛于其所對應的接口板，無人機三余度航空電子系統構架圖如圖2所示。

圖2 無人機三余度航空電子系統架構圖

2 余度管理技術

作為余度設計的核心部分，余度管理方式的好壞直接關系著該系統的體積、重量以及運行可靠程度，與此同時對費用也起著決定性作用[7]。通常采用不同余度管理方式對余度數相同系統進行管理能夠獲得較好的可靠度。余度設計最終使為了確保各項任務的高效實現，保障飛行安全。然而當發生故障后，將會大大降低系統性能，該系統能夠為故障瞬態起到一定的保護作用。余度管理設計主要涉及到以下幾方面內容：

2.1 數據交叉鏈路算法的實現

三余度飛控計算機最基本的工作為完成飛機計算系統各個通道的數據交換，促進數據之間實時、高效傳輸，進而實現對結果的分析與對比，及時發現運行中存在的故障，排除故障，為系統穩定運行提供保障[8]。三余度飛控計算機的通訊主要依靠數據交叉鏈路實現，其充分采用了共享內存技術，能夠過得最快最高效的方式，其在設計中應用了雙口RAM，其單個芯片均配備兩組地址總線、控制總線與數據總線，除同時訪問一個存儲單元的情況，其余均可以采用兩個端口在同一時間內實施對存儲單元的讀寫，兩者之間不會相互干擾[9]。其在訪問過程中主要通過片內仲裁邏輯明確首先訪問哪個端口。數據交叉鏈路算法流程見圖3。

圖3 三余度飛控計算機CCDL算法流程

2.2 同步計算機的跨通道同步算法實現

通常，為確保航空電子系統在發生故障后能夠無縫切換，必須滿足計算機3個通道能夠實現同步工作，首先，3個通道自程序開始包括在運行的監控周期等階段均要同步處理，使其能夠在同一時間點采集到相同傳感器的飛行參數，在同一拍工作，對于時鐘誤差積累要定時清除，避免輸出結果不一致。采用握手方式確保各通道同步，當其進入到監控周期后，首先將所有中斷關閉，然后發出邏輯高的信號，實施同步離散量，與此同時在相同時間里對另外兩個通道輸出的信號進行查詢，待握手結束，將中斷打開，輸出邏輯低，確保3個通道均輸出邏輯地離散，其流程如圖4所示。

圖4 三通道飛控計算機同步算法流程圖

2.3 監控面算法的實現

余度系統設置監控主要是滿足多個通道協調工作的需求，在設計過程中要符合可靠性、一致性及可控制律可重構3大要求[10]。該研究的飛控系統主要包括兩個表決面。首先對各個余度傳感器的輸入信號給予飛控計算機多通道表決。采用多數通過法對離散量進行表決，將三余度傳感器數據傳輸到飛控計算機相應的3個通道能夠得到9個離散量，若所有離散量相加結果為9或0，取采樣值[11]，若相加＜5取0，當輸入值相加得1提示存在瞬態故障，當＞5時取1。對控制率計算輸出結果實施軟件表決，剩余通道信號采用交叉數據傳遞，傳輸與執行終端輸出量的正確性與飛行器安全運行息息相關，因此，必須確保輸出量的可靠性。輸出監控表決也需要實施監控、表決，其方式與輸入監控相同。

2.4 故障監控與隔離的實現

余度系統要有專門的監控器對其系統故障進行檢測，及時發現系統中存在的故障，并對其實施隔離措施，確保系統處于中立位置，將存在故障的通道斷開，各通道工作狀態都能夠通過系統感知，進而實現對故障的檢測與隔離[12]。本研究采用的是比較監控技術，其主要是利用通道間的差異對故障進行檢測與識別，具有較高的覆蓋率，其能夠實現對所有通道數據的相互比較，并將其差值反映到觸發電路。

3 可靠性建模分析

采用一階馬爾科夫過程分析法對多余度可靠性進行分析，該方法操作簡單，無需考慮系統瞬態故障與多故障恢復功能，但難以對真實情況予以反應，該研究結合具體的可靠指標對一次故障、二次故障安全進行判斷，并作出相應的處理[13]，構建馬爾科夫可靠性數學模型，其狀態模型如圖5所示。其中S0～S3分別代表的是4種狀態[14]。通常多余度航空電子系統處理一個任務周期在20 ms，其仍存在多故障并發的可能性[15]，基于這一考慮，必須采用多故障處理，根據數值計算，可以對各個系統狀態概率進行計算，見表1。

圖5 多余度航空電子系統狀態模型

表1 系統可靠性狀態模型數值解結果

4 結束語

研究探究了三余度機載航空電子系統余度架構，并對其管理技術進行分析，該研究項目已經應用于無人直升機演示驗證，效果顯著，其能夠對未來余度系統設計提供參考。