浅谈冗余飞控系统软件架构设计

2020-05-12孙刚

中国设备工程 2020年6期

孙刚

（中国直升机设计研究所，江西景德镇 333000）

飞控系统用于提高直升机飞行的稳定性并减轻飞行员的负担，通过硬件余度配置和软件的相应余度设计提高飞控系统的可靠性。本文设计了可使用于多余度硬件配置的冗余飞控系统的软件架构。

1 硬件配置

对于冗余飞控系统，硬件配置包括：传感器、飞控计算机、执行机构的余度：（1）传感器的余度：选用多余度传感器，提供多组直升机姿态及操纵信号，同时，可引入外围航电系统的信号作为飞控的信号输入。（2）飞控计算机：多余度飞控计算机，涉及计算机的输入、输出的余度，由系统设计要求的安全性等级等确定。（3）执行机构的余度：涉及到执行机构的电气及机械的余度。飞行系统软件驻留和运行在飞控计算机中，在多余度飞控计算机中同时运行，在系统软件的架构需要保证在多余度硬件的同步和一致性，由周期触发的多余度间时钟同步来保证，而软件运行的一致性需保证传感器信号选择，检测的系统内部的故障等都需进行交叉传输，判别故障类型，进行相应的故障隔离和处理，保证多余度硬件中的软件运行的一致性。

2 功能划分

飞控系统软件按功能可划分为硬件驱动功能、飞行控制功能、BIT功能。硬件驱动功能：对于飞控计算机硬件平台，软件需要设备驱动来调度和管理硬件资源，包括加电引导、中断管理、接口板卡驱动(散量接口板、模拟量接口板、数字量接口板)、通道数据传输驱动、存储器驱动等。在飞控计算机接通电源后，完成计算机相关硬件电路模块资源的初始化、加电状态的识别及系统工作方式的选择，并引导操作系统和系统软件的执行，系统软件在运行中处理和存储相应的数据，并调用驱动功能输入和输出相应的信号。飞行控制功能是系统应用软件的核心，负责控制信息的处理。按照功能的细分为不同的任务，主要包括系统管理任务和周期任务。

（1）系统管理任务：控制软件运行不同的功能模式。一般包括正常的控制模式，PBIT模式、MBIT模式等。

（2）周期任务在正常控制模式下运行，包含以下功能点：①数据采集，从各接口板卡更新数据。②状态监控：对传感器数据的有效性、状态和硬件本身的状态的监控。③信号表决：依据监控任务的的结果对输入数据进行表决，依据信号表决策略从多余度数据中选取合适的数据供控制律计算。④控制结算任务：控制律计算直升机需要的信号，来控制直升机达到预期的响应。⑤输出表决：对不同余度计算的控制输出进行表决，选取合适的数据进行输出。

BIT功能用于检测飞控系统的内部各部件的状态和外部传感器的信号，分为PBIT、PUBIT、MBIT、IFBIT。①PUBIT：上电自检测。飞控系统内各部件上电后所做的检测，检测各部件上电后的运行状态是否正常，并将检测结果上报给飞控计算机。②PBIT：飞行前自检测。飞控系统在飞行前所做的检测，检测系统及部件是否具备飞行的功能。③MBIT：维护自检测。飞控系统在地面所做的检测，用于测试系统内部状态。④IFBIT：飞行中自检测。在飞行中飞控系统所做的检测，当发现故障时，需断开与该故障相关联的功能。

3 运行

系统应用软件的运行需要考虑执行周期和优先级。周期运行依赖硬件时钟或中断，由高精度的时间寄存器硬件来确定，保证周期的准确度。由于多余度的硬件存在的时钟漂移和差异，在软件的周期运行开始后还需进行余度间的同步，同时，每个周期也需进行同步确保软件运行的一致性。软件运行的确定性是由软件的周期执行，在同一时刻的时间门限内进行相同的执行操作。按运行时间进行划分为1T（T为一个基本周期）周期任务、2T周期任务及后台任务，其执行过程如下图所示。在进行软件设计的时候，需要考虑各任务的速率周期，在同一速率组中进行优先级的设计。在周期任务的运行中，尽量避免后台任务等的交叉运行，会破坏软件运行的确定性。

图1

在运行中还需考虑软件的数据流，周期任务组产生传感器输入数据和监控状态数据的更新，在每个功能模块中处理内部数据。多余度需要考虑的是每个余度模块软件运行的内部数据，需要进行交叉传输。将每个余度的内部监控数据进行交叉传输，内部监控数据包括本余度采集传感器监控数据、本余度硬件状态数据，来保证每个余度间运行的状态一致。在多余度硬件配置中涉及多余度数据表决。在本余度及其他余度产生的数据不一致时，进行数据表决，对产生故障的情况要考虑到多数服从少数的表决原则。