無人機航空電子余度技術(shù)研究

無人機航空電子余度技術(shù)研究

0基于余度技術(shù)的航空控制系統(tǒng)飛機網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性直接決定了飛機系統(tǒng)的生存能力和任務執(zhí)行能力。提高航空電子系統(tǒng)的可靠性和容錯能力,單純依靠提高單個元器件或者部件的質(zhì)量和裝配工藝已經(jīng)很難達到無人機系統(tǒng)的要求了,而余度技術(shù)的應用可以有效地提高飛控計算機和傳感器的可靠性和容錯能力。采用余度技術(shù)設計航空電子系統(tǒng),其實質(zhì)是通過增加余度資源,并及時切除故障部件,從而提高無人機系統(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,為無人機航空電子系統(tǒng)余度設計提供了可供參考的依據(jù)。1基于航空電子的冗余設計方案余度構(gòu)型方案主要涉及航空電子系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)余度數(shù)目的選擇、飛控計算機和飛行參數(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)可靠性分析余度設計是系統(tǒng)或者設備獲得高任務可靠性、高安全性和高生存能力的設計方法之一。余度設計是指需要出現(xiàn)兩個或者兩個以上的獨立故障,才能引起產(chǎn)品所定義的不希望發(fā)生的失效的一種設計方法。換言之,余度設計就是采用多套可靠性不太高的分系統(tǒng)或設備構(gòu)成高的任務可靠性或安全性的系統(tǒng)。對于無人機機載航空電子系統(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單獨的單元的可靠度,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。設單獨的通道的可靠度為Ri(t),則其不可靠度為1-Ri(t)。由n個環(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,則對于不同余度數(shù)目的系統(tǒng)來說,設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圖形中可以得到在不同余度數(shù)目下系統(tǒng)可靠度隨時間變化的曲線圖,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)提高任務可靠性或者安全性的效果并不與余度的數(shù)目成正比。對于簡單的并聯(lián)余度系統(tǒng)來說,隨著余度數(shù)目的增加,任務的可靠性或安全性的增加會變得越來越慢。因此,最終余度數(shù)的選擇要通過綜合權(quán)衡任務的可靠性、安全性、器件或者模塊的重量、體積、費用以及余度管理水平等等各個方面后才能確定。目前,大部分飛行器內(nèi)部分系統(tǒng)級主要采用二余度、三余度和四余度,少數(shù)國外飛機也有采用五余度或雙—三余度的。應該注意,不是余度系統(tǒng)的余度數(shù)目越多,任務的可靠性就越高。余度數(shù)目的增多,相應的檢測,判斷隔離和轉(zhuǎn)換裝置必然會增多,這會導致系統(tǒng)的可靠性降低。故設計中應該保證由于系統(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、體積對系統(tǒng)的安全性和可靠性的降低所抵消?；谏鲜龇治龊蜕蠄D曲線結(jié)論,本余度系統(tǒng)采取三余度飛控計算機和三余度飛行參數(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算機3個通道均由主控板和兩個接口板(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。無人機機載飛行參數(shù)傳感器數(shù)量較多,包括飛行姿態(tài)傳感器、發(fā)動機參數(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算機各個通道下的離散量/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)型確定為計算機監(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算機各個通道。計算機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3個傳感器進行比較監(jiān)控,最后將3個數(shù)據(jù)進行輸入表決,表決結(jié)果作為飛控計算機的輸入?yún)?shù),經(jīng)過控制律解算出當前要輸出給各個控制終端的輸出數(shù)據(jù)。計算機3個通道通過交叉數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)分別獲取其余兩個計算機的解算結(jié)果,并通過軟件表決算法最終確定由其中的一個通道的輸出值作為飛控系統(tǒng)的最終輸出。2余度管理設計余度管理技術(shù)是余度設計的核心,余度管理方式的優(yōu)劣對余度系統(tǒng)的可靠性、重量、體積、費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。余度設計的目的是最大限度的提高完成任務的可靠性和飛行安全性;能夠使系統(tǒng)在正常工作時高效的運行;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。余度管理設計主要包括以下的任務和內(nèi)容:1)數(shù)據(jù)交叉鏈路算法;2)同步計算機的跨通道同步算法;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任務和內(nèi)容的分析與設計,從而實現(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通信通道飛控計算機各通道之間的數(shù)據(jù)交換是三余度飛控計算機正常工作的基礎(chǔ),只有進行實時、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸,才能及時的比較數(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)定可靠的運行。數(shù)據(jù)交叉鏈路(CrossCommunicationDataLink,CCDL)是整個三余度飛控計算機互相通訊的通道。雙機之間通信最快、最高速的方式就是利用共享內(nèi)存技術(shù),此處設計采用雙口RAM作為通信通道。雙端口RAM的主要特點是每個芯片都有兩組數(shù)據(jù)總線、地址總線及控制總線,只要不是同時訪問同一個存儲單元,就允許兩個端口同時對片內(nèi)的任何存儲單元進行獨立的讀寫操作而互不干擾,如果兩個端口同時訪問同一個存儲單元,則由片內(nèi)的仲裁邏輯決定訪問哪個端口。為了提高本文所述CCDL的容錯性,設計了由3個雙口RAM構(gòu)成的CCDL(結(jié)構(gòu)圖見圖2),其中計算機3個通道分別為主、備飛控計算機通道,其中備用通道計算機做熱備份。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,計算機的3個通道之間必須進行同步工作。在程序開始和各個監(jiān)控周期的開始階段,飛控計算機的3個通道之間都要進行同步處理。同步的目的是使飛控計算機的3個通道能夠在同一時刻采集相同傳感器采集到的飛行參數(shù),使得飛控計算機的3個通道在同一拍工作,并且清除各自的時鐘誤差積累,從而防止3個通道控制律解算輸出結(jié)果不一致。同步算法的實現(xiàn)方式:實現(xiàn)各通道同步采用握手方式。飛控計算機各通道進入監(jiān)控周期后,先關(guān)閉所有中斷,隨后輸出一個“邏輯高”信號來同步離散量,然后在限定的時間段里查詢另外兩個通道輸出的“邏輯高”信號。在握手完畢后,打開中斷,輸出一個“邏輯低”,使3個通道均保持同步離散輸出為邏輯低。同步算法的實現(xiàn)流程圖如圖5所示。2.3飛控計算機控制律的重構(gòu)余度系統(tǒng)設置監(jiān)控/表決面的目的是使多個通道之間工作協(xié)調(diào)可靠。其設置原則如下:滿足系統(tǒng)可靠性要求:監(jiān)控/表決面的設置是將余度系統(tǒng)分為若干級,使得生存通道增多,系統(tǒng)的可靠性提高,但是受到檢測/轉(zhuǎn)換部件的故障率的限制。滿足信號的一致性要求:飛控計算機各個通道的輸入信號的選擇必須一致才能使得控制律計算輸出值一致,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)行機構(gòu)。滿足控制律可重構(gòu)要求:通過監(jiān)控/表決面的設置,可以確切鑒定出哪種傳感器故障,從而實現(xiàn)控制律重構(gòu),使飛行過程穩(wěn)定可控。本飛控系統(tǒng)設置了兩個表決面:1)飛控計算機各通道對來自于各余度傳感器的輸入信號進行軟件表決(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控計算機3個通道中就可以得到9個離散量,如果3個通道得到的9個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;當計算機的3個通道離散量的值加在一起小于5時,輸入表決值取為0,輸入值為1的通道記一次瞬態(tài)故障;當計算機的3個通道的離散量的值加在一起大于5時,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)表示飛控計算機A、B、C三通道采集到的三余度傳感器模擬量數(shù)據(jù),每個通道都先將本通道采集到的模擬量數(shù)據(jù)進行門限范圍篩選,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;三通道各自計算出一個平均值之后,按照3個數(shù)據(jù)的大小進行排隊,假設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)其他通道的運行首先將各個通道輸入的各組數(shù)據(jù)進行一致性比較,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)飛控計算機對各通道的控制律計算輸出結(jié)果進行軟件表決,其余各通道的信號是通過交叉數(shù)據(jù)鏈進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)控表決同樣必須對離散量、模擬量和數(shù)字量進行監(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)的應用余度系統(tǒng)必須要有檢測故障的監(jiān)控器,其主要作用在于檢測系統(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)控的對象需要借助在自身內(nèi)部專門設置的故障檢測裝置來檢測故障。自監(jiān)控技術(shù)比較復雜,故障覆蓋率較低,應用較少。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和識別故障的方法。當前大多數(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行兩兩比較,取其差值輸入到觸發(fā)電路中去,當該差值超過規(guī)定為門限值的時候,觸發(fā)電路給出故障信號,但是相似余度的交叉通道監(jiān)控無法檢測出共性故障,共性故障在同一時刻對同一操作對象產(chǎn)生的相同的錯誤結(jié)果會造成災難性后果。3系統(tǒng)可靠性評估對于多余度系統(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)的真實狀況,所以本文根據(jù)具體的可靠性指標所要求的一次故障、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)學模型,采用馬爾科夫隨機過程狀態(tài)空間模型描述容錯計算機的可靠性狀態(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個故障狀態(tài),S2為系統(tǒng)有2個故障狀態(tài),S3為系統(tǒng)全部故障狀態(tài)。Pij定義為在時間間隔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