冗余计算机在无人机系统中的应用研究

  关键词：飞控计算机；余度技术；可靠性；应用研究
 

  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。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。

  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。

  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 余度计算机的方案及应用