干貨 | 無距科技三余度飛控研發(fā)漫談

技術(shù)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(yùn)無人機(jī)在陜西蒲城首次試飛。作為世界首架試飛成功的大型貨運(yùn)無人機(jī)，代表的意義不言而喻。用實(shí)際行動(dòng)向眾多質(zhì)疑者和觀望者展現(xiàn)了中大型無人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可行性，在此基礎(chǔ)上，未來將出現(xiàn)更多以飛控技術(shù)為核心的多款大型無人機(jī)，以滿足不同的使用需求。

大型工業(yè)級(jí)無人機(jī)特點(diǎn)在于載重大，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，不足之處則是其飛行作業(yè)成本高昂，執(zhí)飛任務(wù)的可靠性關(guān)乎地面安全，并且執(zhí)行的是民航飛行標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)摔機(jī)容忍度極低，因而對(duì)其配套的控制系統(tǒng)有著極高的要求和嚴(yán)格的飛行測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)級(jí)無人機(jī)需要安全執(zhí)行敏感的飛行任務(wù)和掛載高價(jià)值的有效載荷，作為無人機(jī)大腦的飛控系統(tǒng)需要承擔(dān)對(duì)完成飛行任務(wù)期間的可靠控制問題。目前國(guó)內(nèi)執(zhí)飛的大型工業(yè)級(jí)無人機(jī)所使用的飛控系統(tǒng)通常被國(guó)外廠商壟斷，缺乏有效市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致工業(yè)級(jí)飛控使用成本高昂。專注于無人機(jī)最強(qiáng)大腦研發(fā)的無距科技，通過軍用無人機(jī)飛控研發(fā)思路，面向工業(yè)級(jí)無人機(jī)平臺(tái)，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(shí)力的體現(xiàn)，也是對(duì)未來無人機(jī)領(lǐng)域更多應(yīng)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(gè)處理能力強(qiáng)大的控制計(jì)算機(jī)和三組高可靠性的導(dǎo)航傳感器組，并集成了獨(dú)立的測(cè)控和仲裁處理器。在多余度飛控系統(tǒng)中，我們稱單個(gè)控制單元設(shè)備報(bào)錯(cuò)為1次故障，2個(gè)控制單元設(shè)備報(bào)錯(cuò)為2次故障，并以此類推。三余度飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求1次故障時(shí)還能夠正常執(zhí)行飛行任務(wù)，2次故障時(shí)系統(tǒng)安全降級(jí)，但仍能保證安全飛行。

交叉增強(qiáng)算法

在研發(fā)三余度飛控過程中，如何做到單元間運(yùn)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(qiáng)算法來實(shí)現(xiàn)不同導(dǎo)航傳感器組和不同計(jì)算機(jī)余度之間的故障隔離，即一個(gè)控制單元設(shè)備故障后不會(huì)影響到其他的工作。系統(tǒng)中任何一個(gè)控制單元設(shè)備發(fā)生故障，都不會(huì)導(dǎo)致故障蔓延，其余兩個(gè)單元可進(jìn)行無縫切換接管，繼續(xù)提供雙冗余布置。在極端條件應(yīng)用中，如果剩余的雙冗余系統(tǒng)中的一個(gè)出現(xiàn)運(yùn)行故障，則同樣由另一個(gè)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(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，能夠在飛行過程中出現(xiàn)突發(fā)情況后進(jìn)行相應(yīng)的故障處置，進(jìn)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(wù)中會(huì)面臨一個(gè)潛在問題，即不同計(jì)算機(jī)間獨(dú)立積分運(yùn)算產(chǎn)生的時(shí)鐘漂移。由于三余度飛控系統(tǒng)控制量由三個(gè)獨(dú)立的CPU計(jì)算得到，每個(gè)獨(dú)立的飛控計(jì)算機(jī)模塊內(nèi)部使用獨(dú)立的時(shí)鐘，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，相互獨(dú)立的模塊輸出的指令必然會(huì)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(jì)算機(jī)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(zhǎng)相同，確保三個(gè)余度的指令不會(huì)因?yàn)榉e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(gè)飛控計(jì)算機(jī)都要運(yùn)行相同的任務(wù)，主要包含操作系統(tǒng)、余度管理、自檢測(cè)、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(gè)余度的飛控計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行，每個(gè)飛控計(jì)算機(jī)內(nèi)部我們通過表決算法選擇傳感器信號(hào)輸入，同時(shí)運(yùn)行監(jiān)控算法對(duì)所有余度傳感器、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)并隔離。每個(gè)余度計(jì)算機(jī)的控制指令最終發(fā)送到三余度表決器，由表決器進(jìn)行表決后輸出。

國(guó)軍標(biāo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

一套商用的雙冗余飛行控制系統(tǒng)平均無故障運(yùn)行時(shí)間大約在上萬小時(shí)，而滿足于高端工業(yè)級(jí)無人飛行器應(yīng)用的三余度飛控，平均無故障運(yùn)行時(shí)間可達(dá)到數(shù)萬小時(shí)。針對(duì)行業(yè)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，保證產(chǎn)品符合國(guó)軍標(biāo)測(cè)試指標(biāo)，這套三余度飛控相較于常規(guī)飛控系統(tǒng)經(jīng)過更嚴(yán)苛的測(cè)試。針對(duì)這套飛控平臺(tái)我們投入了相當(dāng)大的軟硬件成本，對(duì)每一片飛控模塊都按照國(guó)軍標(biāo)要求進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試、溫度循環(huán)測(cè)試、高低溫存儲(chǔ)測(cè)試、氣壓測(cè)試、鹽霧測(cè)試、雷擊浪涌測(cè)試及脈沖群測(cè)試等。PCB板達(dá)到IPC3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，特別的工藝也可以保證焊點(diǎn)的牢固性；飛控程序經(jīng)過軟件測(cè)試，半物理飛行仿真與嚴(yán)格的大數(shù)據(jù)飛行仿真驗(yàn)證，確保其運(yùn)行穩(wěn)定性，故障多樣性處理和運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)有著更可靠的數(shù)據(jù)參考；結(jié)合三冗余布置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使得該平臺(tái)具有極高的可靠性和遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的故障率。

寫在結(jié)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(jí)無人機(jī)平臺(tái)必須有對(duì)應(yīng)的可以滿足其需求的三余度工業(yè)級(jí)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(shù)突破是一個(gè)新的起點(diǎn)，獨(dú)特的仲裁和交叉增強(qiáng)銜接算法可以確保更高的飛行可靠性，隨著無人機(jī)應(yīng)用空間的增多，無人機(jī)行業(yè)應(yīng)用壁壘也會(huì)隨之降低，使得高精尖無人機(jī)飛行成為普及型應(yīng)用。在獲得大量飛行驗(yàn)證的同時(shí)，也希望不斷提升人們對(duì)無人機(jī)應(yīng)用更深層次的認(rèn)知。未來我們看到的天空，一定是頂上一片的通航飛機(jī)，再有就是一片無人機(jī)。

視頻演示

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

生成海報(bào)

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