余度計算機在無人機系統(tǒng)中的應用研究

蘇明杰，嚴 明

（火箭軍裝備部裝備招標中心，北京 100085）

1 引言

無人機的全稱是無人駕駛飛行器，是一種由無人駕駛、動力驅動且可復用的航空器。相比較于傳統(tǒng)飛行器，其成本低、效費比高，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中有較大的優(yōu)勢[1-3]。

近年來，無人機的研制取得了突破性的進展。其性能大幅提高了，在民用、軍用領域的應用范圍也越來越廣。從最初作為靶機使用，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，無人機在軍事領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的可靠性要求越來越高。飛控計算機是無人機飛行控制系統(tǒng)的核心部件之一，其在承擔無人機飛行控制任務的同時，還負責機載設備的健康管理和調度工作，是飛行任務順利完成的重中之重。綜上，有效提升飛控計算機的可靠性，是強化飛機安全的重要保障。由于飛控計算機的故障（可能很小的故障）導致的災難性的后果的例子不勝枚舉。

在世界無人機領域，提高飛控計算機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元器件的技術含量，通過嚴格的質量檢驗和完整的振動試驗、高低溫實驗等多種檢驗方式，對零部件進行全面檢測。還可以總體從設計的角度，對系統(tǒng)進行電磁屏蔽設計，從而減少干擾。通過以上措施提高可飛控計算機的可靠性。但此類技術的局限性是非常明顯的，通常來講，高可靠性元器件需要經過特殊工藝制造，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域無法滿足需求。于是提高飛控計算機可靠性的另一種途徑——容錯技術應運而生。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的計算機，也可以理解成故障的容忍度、糾錯度。現(xiàn)實的飛行器主控計算機設計中需要結合多種容錯技術才能實現(xiàn)這一目標。而容錯技術的核心方法之一就是余度技術，即通過給計算機增加一些“冗余”的部件來提高系統(tǒng)的可靠性。從飛控計算機的體系結構設計入手，通過提高系統(tǒng)的可靠性、容錯性，實現(xiàn)當故障發(fā)生時，能夠即時響應錯誤，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。

2 國內外應用與現(xiàn)狀

通過為控制系統(tǒng)添加多種資源（硬件或者軟件），實現(xiàn)資源冗余，結合優(yōu)秀的調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)境和特殊任務等無法滿足失效發(fā)生的領域，最有效的方法就是多余度冗余架構設計。

從事余度技術研究工作的機構有很多，經過多年發(fā)展，該技術已經是一門成熟的技術，形成了完整的設計體系和參考方法。

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，無人機技術取得了很大發(fā)展。無人機研究結構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領域取得了不小的成就。

為了縮短與國際發(fā)達國家間在無人機技術上的差距，實現(xiàn)彎道超車，大幅提高無人機可靠性、容錯性的研究成為了重點研究對象。在現(xiàn)有成果的基礎上，逐步將容錯技術、余度技術、糾錯技術等放入無人機的研制中。無人機的飛行控制系統(tǒng)將計算機技術和硬件余度技術、軟件容錯技術合理地整合在一起，實現(xiàn)故障自診斷、自修復、自主飛行功能，組成以飛控計算機為核心的余度飛行控制系統(tǒng)。“彩虹”系列無人機體現(xiàn)了中國航天空氣動力技術研究院依托空氣動力學和飛行力學方面的技術優(yōu)勢，“彩虹-4”無人機具備中空長航時偵察打擊一體化系統(tǒng)，在余度技術方面采用了主從熱備份雙余度結構。

3 余度方案概念介紹

余度技術，也叫容錯技術，是提高系統(tǒng)任務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，實現(xiàn)對多重資源的合理管理，使得當部分部件發(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

余度技術的核心思想是：用冗余度換可靠性。即當部件發(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，保證主要任務的順利完成，進而確保任務完成率。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)的復雜度，從概率上講，會增大系統(tǒng)的出錯率。也就是說，若設計不當，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。借鑒成功的經驗，可參考的設計主要有雙余度、三余度和四余度容錯結構，其區(qū)別如表1 所示。

可以看出余度系統(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)設計和維修成本、復雜度、設計周期驟然提高和軟件實現(xiàn)難度巨大。因此國內無人機余度計算機的架構和方案，在考慮任務可靠性、功耗、質量、體積、費用、余度管理水平以及借鑒成熟的余度設計經驗后，一般采用成熟的三余度架構方案，既可以達到FO/FO/FS 的故障容忍等級（即二次故障后，無人機仍能安全），又能節(jié)省成本和縮短研制周期[4]。

表1 不同余度數(shù)量下優(yōu)缺點比較

3.2 余度模式的選擇

余度構型（也可稱為余度模式）通常有相似余度、非相似余度。合理的余度構型是余度設計最早也是最關鍵的環(huán)節(jié)之一。相似余度使用完全相同的軟硬件技術，其主要特點是技術成熟度高、開發(fā)周期快，缺點是共模故障頻發(fā)且解決難度大。非相似余度采用不同的軟硬件技術，硬件和軟件相互獨立，在處理器、語言、協(xié)議等選型上彼此獨立。如此操作的好處就是余度故障也是獨立的，避免了共性故障的發(fā)生。缺點是系統(tǒng)的設計難度、復雜程度以及開發(fā)難度大大增加，導致研發(fā)周期和費用大幅增加，導致隨機故障率增大。

綜合考慮系統(tǒng)的需求，國內飛控計算機的余度模式方案采用同構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。

主動并列運行。系統(tǒng)內冗余通道同時工作，采用表決器模式進行輸出控制。可細分為分級余度和整機余度，其主要差別在于表決面的設計。整機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、中間的計算機級及最后的輸出級都設有表決面。這也就是分級余度模式可靠性優(yōu)于整機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)故障時響應快、實時性好；冷備份雖然功耗較低，但出現(xiàn)故障時實時性差。

考慮到飛控機算計可靠性、系統(tǒng)余度策略以及技術實現(xiàn)等因素，大多數(shù)無人機都采用并聯(lián)熱備份方式。

3.4 余度管理策略

余度飛行控制計算機設計的關鍵余度管理策略設計。它能夠保證當故障被檢測出時，快速地對故障類型進行診斷、分類，隨后對故障進行處理并快速完成系統(tǒng)的重構工作，使系統(tǒng)處于可正常工作的狀態(tài)。余度管理策略能夠實時監(jiān)控故障的發(fā)生，從而降低系統(tǒng)吸能損失，進而保證非系統(tǒng)安全。一個合理的余度管理策略設計需要包括信號監(jiān)控和表決、故障檢測與診斷、故障隔離和系統(tǒng)重構等要素。

4 余度計算機的方案及應用

依據(jù)以上各方面的研究、分析以及選擇，結合國內外無人機余度技術的發(fā)展，本文提出國內某型無人機用余度飛控計算機的方案進行分析研究，其系統(tǒng)原理如圖1 所示。

飛控計算機系統(tǒng)主要由主計算機模塊三余度、電源模塊兩余度、底板以及機箱等四個功能部分組成。該飛控計算機方案主要是綜合考慮了質量、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硬件，而是采用三個完全相同主計算機模塊實現(xiàn)計算機的余度。方案在滿足可靠性需求的基礎上，具備質量輕、體積小以及低成本的特性。

圖1 余度飛控計算機方案原理框圖

飛控計算機使用3 個設計完全相同的主計算機模塊實現(xiàn)。每個主計算機模塊上包括2 路總線：1M 1553B 總線A、B 通道和4M 1553B 總線A、B 通道。三機均作為1M/4M 總線上的獨立節(jié)點，三機工作時，在4M 1553B 總線上，當班機作BC，負責總線消息調度。其他兩機作MT 監(jiān)控總線上的所有消息，并將與飛控計算機有關的數(shù)據(jù)篩選出來用于DSP 應用軟件，確保三機DSP 軟件工作流程一致。在1M 153B 總線上，當班機作RT，負責與中心控制計算機通訊。其他兩機作MT 監(jiān)控總線上的所有消息，并將與飛控計算機有關的數(shù)據(jù)篩選出來提供給DSP 應用軟件，確保三機DSP軟件工作流程一致。

當當班機（即BC）發(fā)生故障時，按照切換策略切換當班權，整機系統(tǒng)降級。切換當班權也就是切換1553B 的工作模式，將作為MT 的熱備機切換為BC 或RT，作為新的當班機。直至兩次故障后，計算機降級為單機模式，達到FO/FO/FS 的故障容忍度。

該型飛控計算機已完成產品的研制和試驗，各項性能指標滿足飛控系統(tǒng)的需求，工作穩(wěn)定可靠。其以質量輕、體積小、成本低以及可靠性高等特點在某系列無人機中得到廣泛應用[5]。

5 結論

隨著航空和電子技術的發(fā)展，余度計算機技術在飛控計算機中的應用越來越廣，依據(jù)不同的需求，國內出現(xiàn)了多型兩余度、三余度相似結構成熟的飛控計算機產品。綜合分析各項實驗及應用數(shù)據(jù)能夠明顯的看出，通過在設計中加入余度技術，使用余度計算機，能夠極大地提高無人機飛控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，對無人機在軍用領域的應用推廣是極為有利的保證。

非相似余度由于系統(tǒng)復雜、開發(fā)難度大、周期長以及費用高等因素影響發(fā)展比較緩慢，由于其高可靠性的優(yōu)點，僅在有人機上得到應用，希望隨著技術的進步，非相似余度計算機能夠得到發(fā)展，這樣會更加促進無人機產業(yè)的發(fā)展。