无人机分布式飞行控制计算机故障诊断分析

无人机分布式飞行控制计算机故障诊断分析

李晓春

西安爱生技术集团公司 陕西西安 710065

摘要：随着科技水平的不断发展和更新，对于无人机而言，飞行控制系统的稳定和安全系数一直是研究人员最为关注的问题。飞行控制系统主要由四部分构成，在这四部分当中，最为重要的就是飞行控制计算机。飞行控制计算机的主要工作内容是对有关设备进行管理以及完成飞行控制整个过程，并与地面之间进行有效的对接，可以说是非常关键的一个部分。鉴于此，文章结合笔者多年工作经验，对无人机分布式飞行控制计算机故障诊断分析提出了一些建议，仅供参考。

关键词：无人机分布式飞行；控制计算机故障；诊断分析

引言

现如今，随着时代的不断发展和进步，无人机的应用也十分广泛。低速、低空和机头方向不变的机动飞行及在小面积场地垂直升降是直升机的突出特征，由于这些特点使其具有广阔的用途及发展前景。对于其核心部件飞行控制计算机的要求也更加严格，需要更高的可靠性，而单一提高硬件系统中元器件的可靠性无法提高整机可靠性。

1、飞行控制计算机的系统结构与工作原理

无人驾驶飞机是“无人机”，英语缩写为“UAV”，是不引诱使用无线远程控制设备和自己的程序控制设备控制的飞机，或者完全或间歇性地由车辆计算机自主操作。无人机通常比任何人驾驶飞机更适合“愚钝、肮脏或危险”的任务。无人机根据应用领域可分为军事和民间。在军事上，无人机分为侦察机和射击机。民间、无人机+工业应用是无人机的真正需要。目前，在航空照片、农业、植物保护、小型自拍、快递运输、灾难救援、野生动物观察、传染病监测、测绘、新闻报道、电力检查、救灾、电影拍摄、浪漫等领域的应用正在大幅扩大，发达国家也在积极扩大跨行业无人机技术的应用和开发。在执行任务时，提高飞行控制计算机的安全可靠性至关重要。飞行控制计算机将总线系统与航空系统相交，接收航空电子系统、远程控制系统、机械传感器的总线、模拟和离散信号，通过从双通道对中收集的控制命令、飞行参数、监控信号的逻辑处理、参数处理和错误监控等处理，实现双通道之间的信号交互，并从双重投票策略中导出相关信号飞行控制计算机通过计算投票信号的控制律，可以获得伺服控制指南，在模拟输出通道中实现伺服控制命令的输出，从而控制飞机。

2、飞行控制计算机故障模型

飞行控制计算机与传感器系统、舵回路之间的信息流是通过各个模块之间的相互联系和作用来实现的。我们主要是把故障的种类进行了一个简单的划分，主要将其分为了两类，一类是分布式单元功能故障，这种故障显示为板卡级，也就是说板卡单元没有办法进行正常的运转活动；另外一类是单元功能模块故障，其主要显示为功能部件级，换言之，当其中的一个单元出现运行问题的时候，不会影响到其他的动能单元模块，其他部件仍然可以在正常的轨道上运行。这种运行模式在实际工作具有一定的优势，即在不会出现所有的模块都是受到故障的影响，进而出现无法正常运行的情况，可以在一定程度上保障系统的安全性与有效性。

3、无人机分布式飞行控制计算机故障诊断分析

3.1通信总线故障诊断

用于控制内部计算机单元之间通过总线通信的心跳检测算法分为推和拉两种方法，根据增量发送状态按特定间隔检测帧，以确定设备状态。在Push方法中，检测到的设备主动将状态检测帧发送到主控制单元，将状态检测帧移动到主控制单元检测到的单元，接收检测到的帧，并将状态检测帧发送到主控制单元。一种飞行控制计算机，它使用导航树通过各种备用选择检测主控制单元的干扰，并检测由于主控制单元故障而引起的其他设备的心跳信号、计算机内部4度通信配置(主通信通道)、3路热备份和固定优先级。对于每条总线，使用心跳检测方法确定总线上的节点通信是否正常工作。CPU单元发送基于状态的图像时开始的周期数；收到响应帧后删除的周期数。当计数器超过预定义阈值时，决策单元与CPU节点之间的通信将失败，如果CPU节点与另一个节点的通信失败，总线将根据优先级切换到备份总线通道。通信流量扰动消除阈值可根据实际系统确定，飞行控制系统对控制输出要求很高的实时性，阈值不得超过飞行控制周期，正常飞行控制计算机控制周期为20毫秒，通信总线心跳检测周期为5毫秒，因此周期计数阈值不大于4。该值指示飞行控制循环为t，通信心跳检测循环为Th，心跳检测限制为0 &amp。ltλt/th表示影响心跳检测灵敏度的典型心跳检测阈值的条件。

3.2故障监控技术

双余度飞行控制计算机采用双余度通道数据交叉互比监控方式，使用软件超时监控技术，在一定的条件下可进行系统重构和故障隔离、实现故障工作或故障降级工作。每一个通道通过周期性故障综合来识别自身的运行状态，实现通道故障控制逻辑的支配，判断通道是否有真实输出，为双余度的有效控制提供依据，在飞控系统发生严重故障时，具有确保故障安全的能力（即故障发生时飞控计算机能切断自身俯仰、倾斜、航向、高度四个任务通道的输出，完全释放对飞机的控制）。

3.3主控制单元输出表决故障诊断

飞行控制计算机的主控制单元所采用的主要方式是三余度配置。在进行故障诊断的过程当中，所采用的输出表决结构也是具有一定的特殊性的。三余度CPU单元通过对于信号的传输，从而完成完整的余度表决的过程，这整个过程都应该按照一定的程序，按部就班的进行，绝对不能够随意的进行操作。对于故障的分析过程执行的操作必须是严谨的，一旦出现差错就很容易产生某些操作方面的问题，会严重的威胁到之后的相关工作的进行。我们还应该明确一点，对于余度表决方法也不是只存在一种形式，可以根据系统的实际状况来进行方法的应用，然后，可以根据得出的表决结果，了解到运行的整体情况，然后实现CPU单元的有效切换。

3.4功能单元外部设备接口故障诊断

串行通信单元通过利用硬件双余度输入表决这种方式，实现和传感器通信故障观测器的完美结合，根据信号的传输，相关信息流的传送结果进行判断，得出无人机分布式飞行控制计算机是否存在故障问题，得出确切的诊断结果。当故障模型观测器检测出存在故障时，就会产生信息的不同步，串行接口输入不一致等。当这种状况出现的时候，可以判定单元接口产生了一定的问题。另外，当无法得出具体的故障单元时，需要结合CPU单元的状况进行综合的分析，通过这个过程实现故障的诊断。当面对一些特殊状况的时候，可以考察不同的可能出现的状况和结果，然后根据这几种状况和结果，进行故障的定位，对其进行判断之后反馈回主控制单元，进而得出相关的控制结论。

结束语

综上所述，面对多方面存在的问题，可以进行方式方法的创新，在不断地探索和研究当中发现更好的故障检测的方式和方法，以服务于无人机的故障检测工作。另外，对于控制器、执行机构和传感器的相关故障检测的操作，能够解决以往的故障观测器存在着的种种弊端，对于我国无人的未来发展具有一定的积极和建设性作用，有利于我国的无人机技术的快速发展。

参考文献

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