干貨 | 無距科技三余度飛控研發(fā)漫談

技術背景

近日，網(wǎng)上流出了這樣一段視頻，內(nèi)容是順豐大型貨運無人機在陜西蒲城首次試飛。作為世界首架試飛成功的大型貨運無人機，代表的意義不言而喻。用實際行動向眾多質(zhì)疑者和觀望者展現(xiàn)了中大型無人機技術實現(xiàn)的可行性，在此基礎上，未來將出現(xiàn)更多以飛控技術為核心的多款大型無人機，以滿足不同的使用需求。

大型工業(yè)級無人機特點在于載重大，續(xù)航時間長，不足之處則是其飛行作業(yè)成本高昂，執(zhí)飛任務的可靠性關乎地面安全，并且執(zhí)行的是民航飛行標準，對摔機容忍度極低，因而對其配套的控制系統(tǒng)有著極高的要求和嚴格的飛行測試標準。工業(yè)級無人機需要安全執(zhí)行敏感的飛行任務和掛載高價值的有效載荷，作為無人機大腦的飛控系統(tǒng)需要承擔對完成飛行任務期間的可靠控制問題。目前國內(nèi)執(zhí)飛的大型工業(yè)級無人機所使用的飛控系統(tǒng)通常被國外廠商壟斷，缺乏有效市場競爭，導致工業(yè)級飛控使用成本高昂。專注于無人機最強大腦研發(fā)的無距科技，通過軍用無人機飛控研發(fā)思路，面向工業(yè)級無人機平臺，推出這套三余度飛控系統(tǒng)，它的意義可能不僅僅在于是一種研發(fā)實力的體現(xiàn)，也是對未來無人機領域更多應用空間的延伸。

三余度飛控綜述

我們的三余度飛控系統(tǒng)擁有三個處理能力強大的控制計算機和三組高可靠性的導航傳感器組，并集成了獨立的測控和仲裁處理器。在多余度飛控系統(tǒng)中，我們稱單個控制單元設備報錯為1次故障，2個控制單元設備報錯為2次故障，并以此類推。三余度飛控系統(tǒng)設計要求1次故障時還能夠正常執(zhí)行飛行任務，2次故障時系統(tǒng)安全降級，但仍能保證安全飛行。

交叉增強算法

在研發(fā)三余度飛控過程中，如何做到單元間運算邏輯的無縫切換是我們首要解決的問題。我們使用交叉增強算法來實現(xiàn)不同導航傳感器組和不同計算機余度之間的故障隔離，即一個控制單元設備故障后不會影響到其他的工作。系統(tǒng)中任何一個控制單元設備發(fā)生故障，都不會導致故障蔓延，其余兩個單元可進行無縫切換接管，繼續(xù)提供雙冗余布置。在極端條件應用中，如果剩余的雙冗余系統(tǒng)中的一個出現(xiàn)運行故障，則同樣由另一個無縫切換接管。該三余度飛控系統(tǒng)內(nèi)部的傳感器狀態(tài)、CPU狀態(tài)實時進行監(jiān)控，能夠在飛行過程中出現(xiàn)突發(fā)情況后進行相應的故障處置，進一步確保飛行安全。

積分均衡算法

三余度飛控執(zhí)行飛行任務中會面臨一個潛在問題，即不同計算機間獨立積分運算產(chǎn)生的時鐘漂移。由于三余度飛控系統(tǒng)控制量由三個獨立的CPU計算得到，每個獨立的飛控計算機模塊內(nèi)部使用獨立的時鐘，隨著運行時間的增加，相互獨立的模塊輸出的指令必然會由于積分器作用產(chǎn)生不可接受的漂移，我們采用三余度飛控計算機同步，積分器間均衡等算法，使得控制量解算的積分部分步長相同，確保三個余度的指令不會因為積分漂移被誤表決而影響飛行安全。

三余度表決

三余度飛控系統(tǒng)在工作中，每個飛控計算機都要運行相同的任務，主要包含操作系統(tǒng)、余度管理、自檢測、控制律解算等環(huán)節(jié)。在篩選最優(yōu)輸出指令的問題上我們采用二次表決的方法。三個余度的飛控計算機同時運行，每個飛控計算機內(nèi)部我們通過表決算法選擇傳感器信號輸入，同時運行監(jiān)控算法對所有余度傳感器、計算機實現(xiàn)故障檢測并隔離。每個余度計算機的控制指令最終發(fā)送到三余度表決器，由表決器進行表決后輸出。

國軍標測試標準

一套商用的雙冗余飛行控制系統(tǒng)平均無故障運行時間大約在上萬小時，而滿足于高端工業(yè)級無人飛行器應用的三余度飛控，平均無故障運行時間可達到數(shù)萬小時。針對行業(yè)準入標準，保證產(chǎn)品符合國軍標測試指標，這套三余度飛控相較于常規(guī)飛控系統(tǒng)經(jīng)過更嚴苛的測試。針對這套飛控平臺我們投入了相當大的軟硬件成本，對每一片飛控模塊都按照國軍標要求進行隨機振動測試、溫度循環(huán)測試、高低溫存儲測試、氣壓測試、鹽霧測試、雷擊浪涌測試及脈沖群測試等。PCB板達到IPC3級標準，特別的工藝也可以保證焊點的牢固性；飛控程序經(jīng)過軟件測試，半物理飛行仿真與嚴格的大數(shù)據(jù)飛行仿真驗證，確保其運行穩(wěn)定性，故障多樣性處理和運行時長有著更可靠的數(shù)據(jù)參考；結合三冗余布置的設計結構使得該平臺具有極高的可靠性和遠低于行業(yè)標準的故障率。

寫在結尾

就像一輛合格的汽車，必須有安全帶、安全氣囊、后視鏡、阻燃內(nèi)飾、各種儀表盤等安全措施才能稱為汽車一樣。一套合格的工業(yè)級無人機平臺必須有對應的可以滿足其需求的三余度工業(yè)級飛控系統(tǒng)，才能讓人感覺到它的可靠。三冗余飛控系統(tǒng)的技術突破是一個新的起點，獨特的仲裁和交叉增強銜接算法可以確保更高的飛行可靠性，隨著無人機應用空間的增多，無人機行業(yè)應用壁壘也會隨之降低，使得高精尖無人機飛行成為普及型應用。在獲得大量飛行驗證的同時，也希望不斷提升人們對無人機應用更深層次的認知。未來我們看到的天空，一定是頂上一片的通航飛機，再有就是一片無人機。

視頻演示

我們通過半物理仿真的形式，將三余度飛控在運行出現(xiàn)故障時的切換邏輯進行視頻展示。

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