余度计算机在无人机系统中的应用研究

苏明杰，严 明

（火箭军装备部装备招标中心，北京 100085）

1 引言

无人机的全称是无人驾驶飞行器，是一种由无人驾驶、动力驱动且可复用的航空器。相比较于传统飞行器，其成本低、效费比高，更主要的是没有飞行人员的伤亡，在执行危险系数较大、人力成本较高或是难度巨大的任务中有较大的优势[1-3]。

近年来，无人机的研制取得了突破性的进展。其性能大幅提高了，在民用、军用领域的应用范围也越来越广。从最初作为靶机使用，到现在作为空中侦察平台和武器平台，执行侦察监视、对地攻击、电子干扰等多功能的任务，无人机在军事领域的位置越来越重要，尤其是在高空、长航时以及中继等方面。这使得人们对无人机的可靠性要求越来越高。飞控计算机是无人机飞行控制系统的核心部件之一，其在承担无人机飞行控制任务的同时，还负责机载设备的健康管理和调度工作，是飞行任务顺利完成的重中之重。综上，有效提升飞控计算机的可靠性，是强化飞机安全的重要保障。由于飞控计算机的故障（可能很小的故障）导致的灾难性的后果的例子不胜枚举。

在世界无人机领域，提高飞控计算机可靠性的途径主要有两种：排错和容错。所谓排错，就是通过设计，提前避免故障，此种方式多样，既可从元器件的选型上入手，也可从工艺上提升飞控计算机元器件的技术含量，通过严格的质量检验和完整的振动试验、高低温实验等多种检验方式，对零部件进行全面检测。还可以总体从设计的角度，对系统进行电磁屏蔽设计，从而减少干扰。通过以上措施提高可飞控计算机的可靠性。但此类技术的局限性是非常明显的，通常来讲，高可靠性元器件需要经过特殊工艺制造，势必造成成本上升，而且这种方法仅仅能降低失效情况发生的概率，没有失效发生时所需要的纠错能力，这就导致了系统的失效率降低并不是非常明显，在可靠度要求特别高的领域无法满足需求。于是提高飞控计算机可靠性的另一种途径——容错技术应运而生。即在发生硬件故障或存在软件错误的情况下仍能完成任务的计算机，也可以理解成故障的容忍度、纠错度。现实的飞行器主控计算机设计中需要结合多种容错技术才能实现这一目标。而容错技术的核心方法之一就是余度技术，即通过给计算机增加一些“冗余”的部件来提高系统的可靠性。从飞控计算机的体系结构设计入手，通过提高系统的可靠性、容错性，实现当故障发生时，能够即时响应错误，并使用冗余资源消除故障，从而大大提高了系统的健康度。此方法是目前最为推崇的做法，许多新发展的飞行器，其控制系统的核心部分均采用了此种余度技术。

2 国内外应用与现状

通过为控制系统添加多种资源（硬件或者软件），实现资源冗余，结合优秀的调度管理算法和健康管理系统，大大提高飞行系统的可靠性。在面对恶劣环境和特殊任务等无法满足失效发生的领域，最有效的方法就是多余度冗余架构设计。

从事余度技术研究工作的机构有很多，经过多年发展，该技术已经是一门成熟的技术，形成了完整的设计体系和参考方法。

近年来，在周边国家冲突不断，国家下决心大力发展的背景下，无人机技术取得了很大发展。无人机研究结构也如雨后春笋般建立，多家知名高校、研究院、民营单位都在无人机领域取得了不小的成就。

为了缩短与国际发达国家间在无人机技术上的差距，实现弯道超车，大幅提高无人机可靠性、容错性的研究成为了重点研究对象。在现有成果的基础上，逐步将容错技术、余度技术、纠错技术等放入无人机的研制中。无人机的飞行控制系统将计算机技术和硬件余度技术、软件容错技术合理地整合在一起，实现故障自诊断、自修复、自主飞行功能，组成以飞控计算机为核心的余度飞行控制系统。“彩虹”系列无人机体现了中国航天空气动力技术研究院依托空气动力学和飞行力学方面的技术优势，“彩虹-4”无人机具备中空长航时侦察打击一体化系统，在余度技术方面采用了主从热备份双余度结构。

3 余度方案概念介绍

余度技术，也叫容错技术，是提高系统任务可靠性与安全可靠性的一种重要手段。它通过为系统增加余度资源，实现对多重资源的合理管理，使得当部分部件发生故障时不影响或者少影响系统功能与性能，从而提高系统任务可靠性。下面从余度数目、模式、通道以及策略等方面展开介绍。

3.1 余度数目的选择

余度技术的核心思想是：用冗余度换可靠性。即当部件发生故障时，能够在不影响或者是降低影响系统的前提下，保证主要任务的顺利完成，进而确保任务完成率。余度资源的种类有很多，大体上可归纳为硬件资源、软件资源、信息资源以及逻辑资源。但是，余度资源增加同时增加了系统的复杂度，从概率上讲，会增大系统的出错率。也就是说，若设计不当，会造成系统可靠性不升反降的效果。综合来讲，余度数要因系统需求而定，不能一概而论。综合考虑消耗资源、余度配置、余度管理水平等诸多因素。借鉴成功的经验，可参考的设计主要有双余度、三余度和四余度容错结构，其区别如表1 所示。

可以看出余度系统可靠性与余度数目是非线性比例的，也就是说，随着余度数目增加，系统可靠性减缓甚至变差，同时，系统设计和维修成本、复杂度、设计周期骤然提高和软件实现难度巨大。因此国内无人机余度计算机的架构和方案，在考虑任务可靠性、功耗、质量、体积、费用、余度管理水平以及借鉴成熟的余度设计经验后，一般采用成熟的三余度架构方案，既可以达到FO/FO/FS 的故障容忍等级（即二次故障后，无人机仍能安全），又能节省成本和缩短研制周期[4]。

表1 不同余度数量下优缺点比较

3.2 余度模式的选择

余度构型（也可称为余度模式）通常有相似余度、非相似余度。合理的余度构型是余度设计最早也是最关键的环节之一。相似余度使用完全相同的软硬件技术，其主要特点是技术成熟度高、开发周期快，缺点是共模故障频发且解决难度大。非相似余度采用不同的软硬件技术，硬件和软件相互独立，在处理器、语言、协议等选型上彼此独立。如此操作的好处就是余度故障也是独立的，避免了共性故障的发生。缺点是系统的设计难度、复杂程度以及开发难度大大增加，导致研发周期和费用大幅增加，导致随机故障率增大。

综合考虑系统的需求，国内飞控计算机的余度模式方案采用同构型余度的模式比较多。

3.3 余度通道工作方式的选择

余度通道的工作方式可以分为主动并列式和备用切换方式。

主动并列运行。系统内冗余通道同时工作，采用表决器模式进行输出控制。可细分为分级余度和整机余度，其主要差别在于表决面的设计。整机余度只在最后输出级有表决面，而分级余度在开始输入信号采集端、中间的计算机级及最后的输出级都设有表决面。这也就是分级余度模式可靠性优于整机余度可靠性的原因所在。

备用切换方式。系统中有且只有一个通道在工作，其他状态的通道在挂起状态。当工作通道发生故障时，系统自动切换到可用的备用通道，保障工作的顺利进行。根据备用通道在的状态可分为冷备份和热备份，其主要差异在于热备份以功耗增加为代价，出现故障时响应快、实时性好；冷备份虽然功耗较低，但出现故障时实时性差。

考虑到飞控机算计可靠性、系统余度策略以及技术实现等因素，大多数无人机都采用并联热备份方式。

3.4 余度管理策略

余度飞行控制计算机设计的关键余度管理策略设计。它能够保证当故障被检测出时，快速地对故障类型进行诊断、分类，随后对故障进行处理并快速完成系统的重构工作，使系统处于可正常工作的状态。余度管理策略能够实时监控故障的发生，从而降低系统吸能损失，进而保证非系统安全。一个合理的余度管理策略设计需要包括信号监控和表决、故障检测与诊断、故障隔离和系统重构等要素。

4 余度计算机的方案及应用

依据以上各方面的研究、分析以及选择，结合国内外无人机余度技术的发展，本文提出国内某型无人机用余度飞控计算机的方案进行分析研究，其系统原理如图1 所示。

飞控计算机系统主要由主计算机模块三余度、电源模块两余度、底板以及机箱等四个功能部分组成。该飞控计算机方案主要是综合考虑了质量、体积以及性价比等方面的需求，没有完全采用三个完全相同的飞控计算机硬件，而是采用三个完全相同主计算机模块实现计算机的余度。方案在满足可靠性需求的基础上，具备质量轻、体积小以及低成本的特性。

图1 余度飞控计算机方案原理框图

飞控计算机使用3 个设计完全相同的主计算机模块实现。每个主计算机模块上包括2 路总线：1M 1553B 总线A、B 通道和4M 1553B 总线A、B 通道。三机均作为1M/4M 总线上的独立节点，三机工作时，在4M 1553B 总线上，当班机作BC，负责总线消息调度。其他两机作MT 监控总线上的所有消息，并将与飞控计算机有关的数据筛选出来用于DSP 应用软件，确保三机DSP 软件工作流程一致。在1M 153B 总线上，当班机作RT，负责与中心控制计算机通讯。其他两机作MT 监控总线上的所有消息，并将与飞控计算机有关的数据筛选出来提供给DSP 应用软件，确保三机DSP软件工作流程一致。

当当班机（即BC）发生故障时，按照切换策略切换当班权，整机系统降级。切换当班权也就是切换1553B 的工作模式，将作为MT 的热备机切换为BC 或RT，作为新的当班机。直至两次故障后，计算机降级为单机模式，达到FO/FO/FS 的故障容忍度。

该型飞控计算机已完成产品的研制和试验，各项性能指标满足飞控系统的需求，工作稳定可靠。其以质量轻、体积小、成本低以及可靠性高等特点在某系列无人机中得到广泛应用[5]。

5 结论

随着航空和电子技术的发展，余度计算机技术在飞控计算机中的应用越来越广，依据不同的需求，国内出现了多型两余度、三余度相似结构成熟的飞控计算机产品。综合分析各项实验及应用数据能够明显的看出，通过在设计中加入余度技术，使用余度计算机，能够极大地提高无人机飞控系统的可靠性和稳定性，对无人机在军用领域的应用推广是极为有利的保证。

非相似余度由于系统复杂、开发难度大、周期长以及费用高等因素影响发展比较缓慢，由于其高可靠性的优点，仅在有人机上得到应用，希望随着技术的进步，非相似余度计算机能够得到发展，这样会更加促进无人机产业的发展。