基于余度技術(shù)的小型飛控計(jì)算機(jī)可靠性分析與設(shè)計(jì)

基于余度技術(shù)的小型飛控計(jì)算機(jī)可靠性分析與設(shè)計(jì)

0飛控控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)飛機(jī)控制計(jì)算機(jī)是小型飛機(jī)的核心部件之一，其可靠性設(shè)計(jì)的優(yōu)越性直接影響飛機(jī)的飛行安全。因此，僅依靠提高設(shè)備的質(zhì)量和安裝技術(shù)的質(zhì)量就無法滿足系統(tǒng)的要求。冗余技術(shù)可以有效提高飛控信息系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)性。因此，有必要從航控計(jì)算機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，采用冗余技術(shù)，從根本上提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性和剩余能力，軟化故障，消除缺陷系統(tǒng)對(duì)正常工作的影響?，F(xiàn)有許多成熟的商業(yè)產(chǎn)品可用作小型飛行器飛行控制系統(tǒng),但是其重量、體積、功耗等各方面難以滿足小型飛行器的要求。針對(duì)一些現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題,開展了基于小型飛行器飛控計(jì)算機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究。13倍體積結(jié)構(gòu)方案1.1冗余結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),主要有余度構(gòu)型是容錯(cuò)技術(shù)的核心,對(duì)飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行合理的余度設(shè)計(jì)是很有必要的。冗余結(jié)構(gòu)可分四種模式:(1)被動(dòng)冗余結(jié)構(gòu)中的冗余模塊在待命狀態(tài)下完全不施加電源和任何系統(tǒng)信號(hào),即“冷備件”冗余;(2)主動(dòng)冗余結(jié)構(gòu)中的冗余模塊在待命狀態(tài)下和工作模塊一樣施加全額供電電源和所有的系統(tǒng)工作信號(hào),即“熱備件”冗余;(3)半主動(dòng)冗余結(jié)構(gòu)中的冗余模塊在待命期間僅施加部分電源或非全額電源,同時(shí)僅提供部分系統(tǒng)工作信號(hào),即“溫備件”冗余;(4)混合冗余結(jié)構(gòu)是一混合的復(fù)雜系統(tǒng),其中部分冗余模塊是被動(dòng)結(jié)構(gòu),部分冗余模塊是主動(dòng)結(jié)構(gòu)。一般飛控計(jì)算機(jī)采用主動(dòng)冗余結(jié)構(gòu)。1.2冗余容量的確定飛控計(jì)算機(jī)大多采用同構(gòu)型多余度體系結(jié)構(gòu)。余度數(shù)目對(duì)可靠性有著直接影響,很明顯冗余度數(shù)目越多系統(tǒng)任務(wù)可靠性越高。但是冗余度數(shù)目增加的同時(shí)會(huì)降低基本可靠性,增加體積、重量和費(fèi)用,因此冗余度數(shù)目要根據(jù)產(chǎn)品研制的目標(biāo)及限制條件進(jìn)行綜合權(quán)衡。飛控計(jì)算機(jī)采用三余度結(jié)構(gòu),如圖1所示。飛控計(jì)算機(jī)三個(gè)通道完全相同,每個(gè)通道包括中央處理機(jī)(CPU),輸入輸出接口(DIO),模擬量處理模塊(AIO),串口收發(fā)模塊(SIO),電源模塊(PS)以及其他功能模塊。飛控計(jì)算機(jī)僅有一套輸入輸出接口,輸入輸出接口是偽三余度的。飛控計(jì)算機(jī)工作過程中三通道同時(shí)接收外部輸入的數(shù)據(jù),通過表決機(jī)制選擇其中一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為控制計(jì)算機(jī)。2同一周期任務(wù)在同一方向方向執(zhí)行飛行過程中為滿足故障無縫切換的需求,三通道之間必須同步進(jìn)行工作。同步是指三通道的周期任務(wù)在同一周期中進(jìn)行,相同任務(wù)在三通道間盡可能在同一時(shí)刻執(zhí)行。若不能采用同步方式工作,則3通道間周期任務(wù)不能保證在同一拍完成,意味著3臺(tái)計(jì)算機(jī)的采樣與控制不能夠同時(shí)進(jìn)行,無法實(shí)現(xiàn)三通道之間無縫切換,可能導(dǎo)致飛行器瞬間不穩(wěn)定。2.1兩個(gè)通道能同時(shí)進(jìn)入飛控程序?qū)е嘛w控機(jī)三通道不同步原因主要包括:(1)通道啟動(dòng)耗時(shí)差異;(2)晶振誤差的累積。啟動(dòng)耗時(shí)差異是指三通道由于操作系統(tǒng)啟動(dòng)耗時(shí)產(chǎn)生的差異,這種差異導(dǎo)致三通道不能同時(shí)進(jìn)入飛控程序。晶振誤差的累積是導(dǎo)致三通道不能同步的另外一個(gè)原因。用兩個(gè)通道進(jìn)行誤差累積試驗(yàn),上電后對(duì)兩通道進(jìn)行一次同步后,觀察兩通道周期性(周期為10ms)送出窄幅脈沖。從示波器觀測到時(shí)鐘誤差不斷累積,15min時(shí)其中一個(gè)通道比另外一個(gè)通道多出一個(gè)10ms周期。兩個(gè)晶振差異=1/理論周期=1/15×60×100≈11PPM(晶振誤差范圍為±30PPM,在理論誤差范圍內(nèi))。然而,這種誤差在飛行過程中是無法容忍的。因此三通道間除了開機(jī)同步外,還需要進(jìn)行周期性同步。2.2同步策略設(shè)計(jì)為使3通道同步工作,提出一套簡單的握手協(xié)議來實(shí)現(xiàn)同步如圖2所示,飛控計(jì)算機(jī)每個(gè)通道有一個(gè)輸出口DO,用于輸出同步握手信號(hào)給其他兩通道;并有兩個(gè)輸入口DI,用于接收其他兩通道的同步輸入信號(hào)。同步算法采用握手方式:首先關(guān)中斷,接著DO輸出一個(gè)“邏輯低”同步握手信號(hào),然后在限定時(shí)段內(nèi)查詢兩個(gè)DI是否產(chǎn)生“邏輯低”握手信號(hào);在握手成功后,打開中斷,DO輸出“邏輯高”,三通道均保持同步信號(hào)輸出為邏輯高準(zhǔn)備下次同步。2.3-12s周期同步策略軟件設(shè)計(jì)過程中針對(duì)啟動(dòng)耗時(shí)差異,提出開機(jī)同步概念;針對(duì)晶振誤差累積,提出了10ms周期同步。同步軟件穿插在整個(gè)飛控程序中,飛控程序流程圖如圖3所示。開機(jī)同步,該函數(shù)只在開機(jī)后調(diào)用一次,保證消除三個(gè)通道啟動(dòng)耗時(shí)誤差,該函數(shù)封裝成為一個(gè)函數(shù)voidpoweronSynchronize(void)。開機(jī)同步實(shí)現(xiàn)的方法:開機(jī)后,通過DO引腳向其他兩個(gè)處理器發(fā)出同步信號(hào),同時(shí)采集其他兩個(gè)處理器所發(fā)出的同步信號(hào),采集到兩機(jī)的同步信號(hào)后,轉(zhuǎn)入到10ms任務(wù)周期。若等待3s后還沒有采集到其他兩機(jī)的同步信號(hào),則認(rèn)為其他兩機(jī)故障。進(jìn)入單機(jī)工作模式,其余兩個(gè)處理器被置為永久故障。10ms周期同步,該封裝成一個(gè)函數(shù)voidperiod10msSynchronize(void),函數(shù)在10s中斷服務(wù)程序中被調(diào)用。函數(shù)首先禁止所有中斷,判斷其他兩個(gè)處理器是否可用,若不可用則進(jìn)入單機(jī)工作模式,若可用,進(jìn)入同步。同步方法:通過DO引腳向其他兩個(gè)處理器發(fā)出同步信號(hào),同時(shí)采集其他兩個(gè)處理器所發(fā)出的同步信號(hào),采集到兩機(jī)的同步信號(hào)后使能中斷,轉(zhuǎn)入到10ms任務(wù)周期。若50μs內(nèi)還沒有采集到其他兩機(jī)的同步信號(hào),使能中斷,判斷是否連續(xù)10次不能同步,如果是則進(jìn)入單機(jī)工作模式。圖4是飛控機(jī)的三個(gè)通道未同步和同步兩種方式周期性(周期為10ms)送出窄幅脈沖信號(hào)圖,通過示波器觀測進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)行同步后,三通道的窄幅脈沖能夠同一時(shí)刻送出,握手協(xié)議徹底解決了同步問題。3獨(dú)立設(shè)計(jì)3.1自檢測故障表現(xiàn)監(jiān)控表決依據(jù)選取的表決面對(duì)飛控計(jì)算機(jī)3通道進(jìn)行表決,選取三通道中最健康的一個(gè)通道成為控制通道。表決面選取決定了系統(tǒng)的故障剔除能力,因此表決面選取應(yīng)遵循原則:(1)能夠覆蓋到通道中所有故障;(2)便于實(shí)現(xiàn),不能消耗太多資源(包括時(shí)間資源、存儲(chǔ)資源、計(jì)算硬件資源等)。設(shè)計(jì)中表決項(xiàng)包括自檢測故障,以及交叉?zhèn)鬏敱容^故障和同步故障。自檢測故障從通道硬件故障進(jìn)行檢測,包括串口檢測和模擬量檢測:(1)串口檢測,連續(xù)5個(gè)幀周期未收到正確數(shù)據(jù)(包括未收到數(shù)據(jù),校驗(yàn)和錯(cuò)誤),則報(bào)告串口硬件故障。(2)模擬量檢測,該控制系統(tǒng)中模擬量輸出只有舵機(jī)控制量,可以通過舵控量回采后與輸出前比較。二者誤差超過給定值,則報(bào)告模擬量硬件故障。交叉?zhèn)鬏斨饕瓿赏ǖ篱g的故障報(bào)告,每個(gè)通道向其他兩通道發(fā)送自身狀態(tài)信息,同時(shí)接收另外兩通道的狀態(tài)信息。3.2通道刑事優(yōu)先通道c型每個(gè)通道通過綜合以上狀態(tài)信息產(chǎn)生三通道可用信號(hào),最后結(jié)合預(yù)置優(yōu)先級(jí)(設(shè)計(jì)過程中三通道的優(yōu)先級(jí)次序是:通道A,通道B,通道C)表決產(chǎn)生通道使能信號(hào)。為了滿足三通道間軟硬件無差異性,優(yōu)先級(jí)預(yù)制電路放在飛控計(jì)算機(jī)三通道互連的底板上,其邏輯圖如圖