無人機(jī)系統(tǒng)中余度計算機(jī)的應(yīng)用

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摘要：針對無人機(jī)在軍用領(lǐng)域的應(yīng)用需求越來越多，對其可靠性和穩(wěn)定性要求更加嚴(yán)格。同時，飛控計算機(jī)作為無人機(jī)系統(tǒng)的核心設(shè)備，其可靠性和穩(wěn)定性是無人機(jī)系統(tǒng)能正確運(yùn)行的重要保障，其作用不言而喻。提出了使用余度技術(shù)提高飛控計算機(jī)可靠性的解決方案，在此基礎(chǔ)上對國內(nèi)外余度計算機(jī)在飛機(jī)應(yīng)用的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，重點(diǎn)介紹了余度計算機(jī)的概念，并對一種三余度計算機(jī)的方案進(jìn)行了應(yīng)用研究。

關(guān)鍵詞：飛控計算機(jī)；余度技術(shù)；可靠性；應(yīng)用研究

1引言

無人機(jī)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(fù)用的航空器。相比較于傳統(tǒng)飛行器，其成本低、效費(fèi)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(wù)中有較大的優(yōu)勢[1-3]。近年來，無人機(jī)的研制取得了突破性的進(jìn)展。其性能大幅提高了，在民用、軍用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也越來越廣。從最初作為靶機(jī)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(wù)，無人機(jī)在軍事領(lǐng)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(jī)的可靠性要求越來越高。飛控計算機(jī)是無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的核心部件之一，其在承擔(dān)無人機(jī)飛行控制任務(wù)的同時，還負(fù)責(zé)機(jī)載設(shè)備的健康管理和調(diào)度工作，是飛行任務(wù)順利完成的重中之重。綜上，有效提升飛控計算機(jī)的可靠性，是強(qiáng)化飛機(jī)安全的重要保障。由于飛控計算機(jī)的故障（可能很小的故障）導(dǎo)致的災(zāi)難性的后果的例子不勝枚舉。在世界無人機(jī)領(lǐng)域，提高飛控計算機(jī)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(shè)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(jī)元器件的技術(shù)含量，通過嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)和完整的振動試驗(yàn)、高低溫實(shí)驗(yàn)等多種檢驗(yàn)方式，對零部件進(jìn)行全面檢測。還可以總體從設(shè)計的角度，對系統(tǒng)進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計，從而減少干擾。通過以上措施提高可飛控計算機(jī)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(dǎo)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(lǐng)域無法滿足需求。于是提高飛控計算機(jī)可靠性的另一種途徑——容錯技術(shù)應(yīng)運(yùn)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(wù)的計算機(jī)，也可以理解成故障的容忍度、糾錯度?，F(xiàn)實(shí)的飛行器主控計算機(jī)設(shè)計中需要結(jié)合多種容錯技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。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(jī)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(jī)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，通過提高系統(tǒng)的可靠性、容錯性，實(shí)現(xiàn)當(dāng)故障發(fā)生時，能夠即時響應(yīng)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(yīng)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(shí)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(wù)等無法滿足失效發(fā)生的領(lǐng)域，最有效的方法就是多余度冗余架構(gòu)設(shè)計。從事余度技術(shù)研究工作的機(jī)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(shè)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(jī)技術(shù)取得了很大發(fā)展。無人機(jī)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(jī)領(lǐng)域取得了不小的成就。為了縮短與國際發(fā)達(dá)國家間在無人機(jī)技術(shù)上的差距，實(shí)現(xiàn)彎道超車，大幅提高無人機(jī)可靠性、容錯性的研究成為了重點(diǎn)研究對象。在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)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(jī)的研制中。無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)將計算機(jī)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(shí)現(xiàn)故障自診斷、自修復(fù)、自主飛行功能，組成以飛控計算機(jī)為核心的余度飛行控制系統(tǒng)?！安屎纭毕盗袩o人機(jī)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(xué)和飛行力學(xué)方面的技術(shù)優(yōu)勢，“彩虹-4”無人機(jī)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(wù)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(shí)現(xiàn)對多重資源的合理管理，使得當(dāng)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(wù)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(dāng)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(wù)的順利完成，進(jìn)而確保任務(wù)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(fù)雜度，從概率上講，會增大系統(tǒng)的出錯率。也就是說，若設(shè)計不當(dāng)，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(yàn)，可參考的設(shè)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?？梢钥闯鲇喽认到y(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(shè)計和維修成本、復(fù)雜度、設(shè)計周期驟然提高和軟件實(shí)現(xiàn)難度巨大。因此國內(nèi)無人機(jī)余度計算機(jī)的架構(gòu)和方案，在考慮任務(wù)可靠性、功耗、質(zhì)量、體積、費(fèi)用、余度管理水平以及借鑒成熟的余度設(shè)計經(jīng)驗(yàn)后，一般采用成熟的三余度架構(gòu)方案，既可以達(dá)到FO/FO/FS的故障容忍等級（即二次故障后，無人機(jī)仍能安全），又能節(jié)省成本和縮短研制周期[4]。

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(shè)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(diǎn)是技術(shù)成熟度高、開發(fā)周期快，缺點(diǎn)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(dú)立，在處理器、語言、協(xié)議等選型上彼此獨(dú)立。如此操作的好處就是余度故障也是獨(dú)立的，避免了共性故障的發(fā)生。缺點(diǎn)是系統(tǒng)的設(shè)計難度、復(fù)雜程度以及開發(fā)難度大大增加，導(dǎo)致研發(fā)周期和費(fèi)用大幅增加，導(dǎo)致隨機(jī)故障率增大。綜合考慮系統(tǒng)的需求，國內(nèi)飛控計算機(jī)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(yùn)行。系統(tǒng)內(nèi)冗余通道同時工作，采用表決器模式進(jìn)行輸出控制?？杉?xì)分為分級余度和整機(jī)余度，其主要差別在于表決面的設(shè)計。整機(jī)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(jī)級及最后的輸出級都設(shè)有表決面。這也就是分級余度模式可靠性優(yōu)于整機(jī)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(dāng)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(jìn)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(yīng)快、實(shí)時性好；冷備份雖然功耗較低，但出現(xiàn)故障時實(shí)時性差?？紤]到飛控機(jī)算計可靠性、系統(tǒng)余度策略以及技術(shù)實(shí)現(xiàn)等因素，大多數(shù)無人機(jī)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(jī)設(shè)計的關(guān)鍵余度管理策略設(shè)計。它能夠保證當(dāng)故障被檢測出時，快速地對故障類型進(jìn)行診斷、分類，隨后對故障進(jìn)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(jìn)而保證非系統(tǒng)安全。一個合理的余度管理策略設(shè)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(jī)的方案及應(yīng)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(jī)余度技術(shù)的發(fā)展，本文提出國內(nèi)某型無人機(jī)用余度飛控計算機(jī)的方案進(jìn)行分析研究，其系統(tǒng)原理如圖1所示。飛控計算機(jī)系統(tǒng)主要由主計算機(jī)模塊三余度、電源模塊兩余度、底板以及機(jī)箱等四個功能部分組成。該飛控計算機(jī)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(jī)硬件，而是采用三個完全相同主計算機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)計算機(jī)的余度。方案在滿足可靠性需求的基礎(chǔ)上，具備質(zhì)量輕、體積小以及低成本的特性。飛控計算機(jī)使用3個設(shè)計完全相同的主計算機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)。每個主計算機(jī)模塊上包括2路總線：1M1553B總線A、B通道和4M1553B總線A、B通道。三機(jī)均作為1M/4M總線上的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，三機(jī)工作時，在4M1553B總線上，當(dāng)班機(jī)作BC，負(fù)責(zé)總線消息調(diào)度。其他兩機(jī)作MT監(jiān)控總線上的所有消息，并將與飛控計算機(jī)有關(guān)的數(shù)據(jù)篩選出來用于DSP應(yīng)用軟件，確保三機(jī)DSP軟件工作流程一致。在1M153B總線上，當(dāng)班機(jī)作RT，負(fù)責(zé)與中心控制計算機(jī)通訊。其他兩機(jī)作MT監(jiān)控總線上的所有消息，并將與飛控計算機(jī)有關(guān)的數(shù)據(jù)篩選出來提供給DSP應(yīng)用軟件，確保三機(jī)DSP軟件工作流程一致。當(dāng)當(dāng)班機(jī)（即BC）發(fā)生故障時，按照切換策略切換當(dāng)班權(quán)，整機(jī)系統(tǒng)降級。切換當(dāng)班權(quán)也就是切換1553B的工作模式，將作為MT的熱備機(jī)切換為BC或RT，作為新的當(dāng)班機(jī)。直至兩次故障后，計算機(jī)降級為單機(jī)模式，達(dá)到FO/FO/FS的故障容忍度。該型飛控計算機(jī)已完成產(chǎn)品的研制和試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)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(diǎn)在某系列無人機(jī)中得到廣泛應(yīng)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(jī)技術(shù)在飛控計算機(jī)中的應(yīng)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(jī)產(chǎn)品。綜合分析各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用數(shù)據(jù)能夠明顯的看出，通過在設(shè)計中加入余度技術(shù)，使用余度計算機(jī)，能夠極大地提高無人機(jī)飛控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，對無人機(jī)在軍用領(lǐng)域的應(yīng)用推廣是極為有利的保證。非相似余度由于系統(tǒng)復(fù)雜、開發(fā)難度大、周期長以及費(fèi)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(diǎn)，僅在有人機(jī)上得到應(yīng)用，希望隨著技術(shù)的進(jìn)步，非相似余度計算機(jī)能夠得到發(fā)展，這樣會更加促進(jìn)無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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［5］陳宗基，秦旭東，高金源.非相似余度飛控計算機(jī)［J］.航空學(xué)報，2005（3）：320-327.

作者：蘇明杰 嚴(yán)明 單位：火箭軍裝備部裝備招標(biāo)中心