楊璐

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710089）

近年來，我國航空電子技術(shù)得到了空前的發(fā)展，其系統(tǒng)可靠性與安全性與無人機系統(tǒng)息息相關(guān)，一方面影響著無人機系統(tǒng)生存能力，另一方面也關(guān)系著其任務(wù)執(zhí)行效率[1]。單純依賴某個元件質(zhì)量及裝配工藝提升，很難滿足無人機系統(tǒng)要求[2]。近年來，余度技術(shù)在無人機系統(tǒng)設(shè)計中得以應(yīng)用，其能夠促進(jìn)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(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用的研究有著重要的實踐意義與應(yīng)用價值。

1 構(gòu)型方案設(shè)計

1.1 余度數(shù)目及系統(tǒng)可靠性的選擇

余度設(shè)計對于航空電子系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備運行可靠性、安全性有著極為重要的作用。所謂余度設(shè)計主要指的是當(dāng)發(fā)生兩個及兩個以上獨立故障所造成的產(chǎn)品失效設(shè)計方法[4]，簡單來講，就是將多個低可靠性分系統(tǒng)、設(shè)備等進(jìn)行組合使其形成一個具有較高安全性、可靠性的系統(tǒng)[5]。無人機機載航空電子系統(tǒng)中的每個單元均遵循指數(shù)分布的原則。與單獨單元可靠度相比，串聯(lián)系統(tǒng)可靠度相對較低。且當(dāng)串聯(lián)系統(tǒng)單元數(shù)增多時，并聯(lián)系統(tǒng)可靠度也會隨之增加。假設(shè)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(huán)節(jié)組成的航空電子系統(tǒng)至少包含了r個正常工作環(huán)節(jié)，才能確保系統(tǒng)順利工作，其被稱作是r/n系統(tǒng)，若各個環(huán)節(jié)可靠度均為R（t），那么可以采用數(shù)學(xué)模型對其系統(tǒng)可靠度進(jìn)行表示：

通常，元件及各個環(huán)節(jié)可靠度均呈現(xiàn)出指數(shù)分布特點，R（t）=e-λt，假設(shè)r為 2，那么可以將其系統(tǒng)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(fā)生相應(yīng)的變化，假設(shè)λ取值相同，具體見圖1。可以發(fā)現(xiàn)，余度數(shù)目事實上并不與任務(wù)可靠性、安全性表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。通常，簡單的并聯(lián)余度系統(tǒng)當(dāng)期余度數(shù)目增加時，任務(wù)安全性增加將會逐漸緩慢，必須對其各項任務(wù)可靠性權(quán)衡之后才能夠確定[6]。從當(dāng)前飛行棋內(nèi)部分系統(tǒng)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(shù)目的增加會在一定程度上增加檢測、隔離及轉(zhuǎn)換裝置判斷等，降低系統(tǒng)可靠性?；谏鲜鰡栴}，在設(shè)計中必須確保系統(tǒng)余度安全性及可靠性，避免余度布局引起的質(zhì)量、體積及故障率等影響到系統(tǒng)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(shù)傳感器對余度航空電子系統(tǒng)模式進(jìn)行構(gòu)建。

圖1 不同余度數(shù)目的系統(tǒng)可靠度分析

1.2 三余度航空電子系統(tǒng)架構(gòu)

主控板與兩個接口板共同構(gòu)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(shù)字量傳感器需掛于數(shù)字量接口板下，接口板能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效采集，并對其進(jìn)行相應(yīng)的處理，轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量，進(jìn)而傳輸?shù)街骺匕澹ㄟ^軟件表決對控制率輸入數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)傳感器組成，常見的有發(fā)動機參數(shù)傳感器、飛行姿態(tài)傳感器等，根據(jù)其數(shù)據(jù)類型可以劃分為離散量傳感器、模擬量傳感器以及數(shù)字量傳感器3種類型，每個傳感器均掛于其所對應(yīng)的接口板，無人機三余度航空電子系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖2所示。

圖2 無人機三余度航空電子系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 余度管理技術(shù)

作為余度設(shè)計的核心部分，余度管理方式的好壞直接關(guān)系著該系統(tǒng)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(shù)相同系統(tǒng)進(jìn)行管理能夠獲得較好的可靠度。余度設(shè)計最終使為了確保各項任務(wù)的高效實現(xiàn)，保障飛行安全。然而當(dāng)發(fā)生故障后，將會大大降低系統(tǒng)性能，該系統(tǒng)能夠為故障瞬態(tài)起到一定的保護(hù)作用。余度管理設(shè)計主要涉及到以下幾方面內(nèi)容：

2.1 數(shù)據(jù)交叉鏈路算法的實現(xiàn)

三余度飛控計算機最基本的工作為完成飛機計算系統(tǒng)各個通道的數(shù)據(jù)交換，促進(jìn)數(shù)據(jù)之間實時、高效傳輸，進(jìn)而實現(xiàn)對結(jié)果的分析與對比，及時發(fā)現(xiàn)運行中存在的故障，排除故障，為系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供保障[8]。三余度飛控計算機的通訊主要依靠數(shù)據(jù)交叉鏈路實現(xiàn)，其充分采用了共享內(nèi)存技術(shù)，能夠過得最快最高效的方式，其在設(shè)計中應(yīng)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(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)仲裁邏輯明確首先訪問哪個端口。數(shù)據(jù)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(xiàn)

通常，為確保航空電子系統(tǒng)在發(fā)生故障后能夠無縫切換，必須滿足計算機3個通道能夠?qū)崿F(xiàn)同步工作，首先，3個通道自程序開始包括在運行的監(jiān)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(shù)，在同一拍工作，對于時鐘誤差積累要定時清除，避免輸出結(jié)果不一致。采用握手方式確保各通道同步，當(dāng)其進(jìn)入到監(jiān)控周期后，首先將所有中斷關(guān)閉，然后發(fā)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(jìn)行查詢，待握手結(jié)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(jiān)控面算法的實現(xiàn)

余度系統(tǒng)設(shè)置監(jiān)控主要是滿足多個通道協(xié)調(diào)工作的需求，在設(shè)計過程中要符合可靠性、一致性及可控制律可重構(gòu)3大要求[10]。該研究的飛控系統(tǒng)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(shù)通過法對離散量進(jìn)行表決，將三余度傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤w控計算機相應(yīng)的3個通道能夠得到9個離散量，若所有離散量相加結(jié)果為9或0，取采樣值[11]，若相加＜5取0，當(dāng)輸入值相加得1提示存在瞬態(tài)故障，當(dāng)＞5時取1。對控制率計算輸出結(jié)果實施軟件表決，剩余通道信號采用交叉數(shù)據(jù)傳遞，傳輸與執(zhí)行終端輸出量的正確性與飛行器安全運行息息相關(guān)，因此，必須確保輸出量的可靠性。輸出監(jiān)控表決也需要實施監(jiān)控、表決，其方式與輸入監(jiān)控相同。

2.4 故障監(jiān)控與隔離的實現(xiàn)

余度系統(tǒng)要有專門的監(jiān)控器對其系統(tǒng)故障進(jìn)行檢測，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的故障，并對其實施隔離措施，確保系統(tǒng)處于中立位置，將存在故障的通道斷開，各通道工作狀態(tài)都能夠通過系統(tǒng)感知，進(jìn)而實現(xiàn)對故障的檢測與隔離[12]。本研究采用的是比較監(jiān)控技術(shù)，其主要是利用通道間的差異對故障進(jìn)行檢測與識別，具有較高的覆蓋率，其能夠?qū)崿F(xiàn)對所有通道數(shù)據(jù)的相互比較，并將其差值反映到觸發(fā)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(jìn)行分析，該方法操作簡單，無需考慮系統(tǒng)瞬態(tài)故障與多故障恢復(fù)功能，但難以對真實情況予以反應(yīng)，該研究結(jié)合具體的可靠指標(biāo)對一次故障、二次故障安全進(jìn)行判斷，并作出相應(yīng)的處理[13]，構(gòu)建馬爾科夫可靠性數(shù)學(xué)模型，其狀態(tài)模型如圖5所示。其中S0～S3分別代表的是4種狀態(tài)[14]。通常多余度航空電子系統(tǒng)處理一個任務(wù)周期在20 ms，其仍存在多故障并發(fā)的可能性[15]，基于這一考慮，必須采用多故障處理，根據(jù)數(shù)值計算，可以對各個系統(tǒng)狀態(tài)概率進(jìn)行計算，見表1。

圖5 多余度航空電子系統(tǒng)狀態(tài)模型

表1 系統(tǒng)可靠性狀態(tài)模型數(shù)值解結(jié)果

4 結(jié)束語

研究探究了三余度機載航空電子系統(tǒng)余度架構(gòu)，并對其管理技術(shù)進(jìn)行分析，該研究項目已經(jīng)應(yīng)用于無人直升機演示驗證，效果顯著，其能夠?qū)ξ磥碛喽认到y(tǒng)設(shè)計提供參考。