無距科技三餘度飛控研發漫談

技術背景

近日，網上流出了這樣一段視頻，內容是順豐大型貨運無人機在陝西蒲城首次試飛。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疑者和觀望者展現了中大型無人機技術實現的可行性，在此基礎上，未來將出現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。

大型工業級無人機特點在於載重大，續航時間長，不足之處則是其飛行作業成本高昂，執飛任務的可靠性關乎地面安全，並且執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有著極高的要求和嚴格的飛行測試標準。工業級無人機需要安全執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需要承擔對完成飛行任務期間的可靠控制問題。目前國內執飛的大型工業級無人機所使用的飛控系統通常被國外廠商壟斷，缺乏有效市場競爭，導致工業級飛控使用成本高昂。專註於無人機最強大腦研發的無距科技，通過軍用無人機飛控研發思路，面向工業級無人機平台，推出這套三餘度飛控系統，它的意義可能不僅僅在於是一種研發實力的體現，也是對未來無人機領域更多應用空間的延伸。

三餘度飛控綜述

我們的三餘度飛控系統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感測器組，並集成了獨立的測控和仲裁處理器。在多餘度飛控系統中，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，並以此類推。三餘度飛控系統設計要求1次故障時還能夠正常執行飛行任務，2次故障時系統安全降級，但仍能保證安全飛行。

交叉增強演算法

在研發三餘度飛控過程中，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。我們使用交叉增強演算法來實現不同導航感測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後不會影響到其他的工作。系統中任何一個控制單元設備發生故障，都不會導致故障蔓延，其餘兩個單元可進行無縫切換接管，繼續提供雙冗餘布置。在極端條件應用中，如果剩餘的雙冗餘系統中的一個出現運行故障，則同樣由另一個無縫切換接管。該三餘度飛控系統內部的感測器狀態、CPU狀態實時進行監控，能夠在飛行過程中出現突發情況後進行相應的故障處置，進一步確保飛行安全。

積分均衡演算法

三餘度飛控執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生的時鐘漂移。由於三餘度飛控系統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於積分器作用產生不可接受的漂移，我們採用三餘度飛控計算機同步，積分器間均衡等演算法，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。

三餘度表決

三餘度飛控系統在工作中，每個飛控計算機都要運行相同的任務，主要包含操作系統、余度管理、自檢測、控制律解算等環節。在篩選最優輸出指令的問題上我們採用二次表決的方法。三個余度的飛控計算機同時運行，每個飛控計算機內部我們通過表決演算法選擇感測器信號輸入，同時運行監控演算法對所有餘度感測器、計算機實現故障檢測並隔離。每個余度計算機的控制指令最終發送到三餘度表決器，由表決器進行表決後輸出。

國軍標測試標準

一套商用的雙冗餘飛行控制系統平均無故障運行時間大約在上萬小時，而滿足於高端工業級無人飛行器應用的三餘度飛控，平均無故障運行時間可達到數萬小時。針對行業准入標準，保證產品符合國軍標測試指標，這套三餘度飛控相較於常規飛控系統經過更嚴苛的測試。針對這套飛控平台我們投入了相當大的軟硬體成本，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、雷擊浪涌測試及脈衝群測試等。PCB板達到IPC3級標準，特別的工藝也可以保證焊點的牢固性；飛控程序經過軟體測試，半物理飛行模擬與嚴格的大數據飛行模擬驗證，確保其運行穩定性，故障多樣性處理和運行時長有著更可靠的數據參考；結合三冗餘布置的設計結構使得該平台具有極高的可靠性和遠低於行業標準的故障率。

寫在結尾

就像一輛合格的汽車，必須有安全帶、安全氣囊、後視鏡、阻燃內飾、各種儀錶盤等安全措施才能稱為汽車一樣。一套合格的工業級無人機平台必須有對應的可以滿足其需求的三餘度工業級飛控系統，才能讓人感覺到它的可靠。三冗餘飛控系統的技術突破是一個新的起點，獨特的仲裁和交叉增強銜接演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。

我們通過半物理模擬的形式，將三餘度飛控在運行出現故障時的切換邏輯進行視頻展示。

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