道路空-地圖像探測控制器可靠性增長設(shè)計

張晨, 胡永紅

(西北工業(yè)大學(xué), 陜西 西安　710072)

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道路空-地圖像探測控制器可靠性增長設(shè)計

張晨, 胡永紅

(西北工業(yè)大學(xué), 陜西 西安710072)

摘要：可靠性歷來是航空航天領(lǐng)域關(guān)注的焦點之一,可靠性增長是產(chǎn)品設(shè)計過程中不斷完善的迭代過程,但大多工作都局限于概念或頂層框架的研究,未涉及具體工程實現(xiàn)。以道路空——地圖像探測控制器可靠性增長設(shè)計為背景,提出了一種基于電路優(yōu)化的可靠性增長綜合設(shè)計方法。通過分析控制器硬件電路結(jié)構(gòu),建立了可靠性結(jié)構(gòu)模型與數(shù)學(xué)模型,根據(jù)模型分析結(jié)論對控制器基本可靠度較低的D/A結(jié)構(gòu)驅(qū)動電路進(jìn)行了優(yōu)化,設(shè)計了一種基于動態(tài)可編程電壓比較器的新型驅(qū)動電路。通過可靠性評估,優(yōu)化后控制器的基本可靠性理論上增長了33.2%。進(jìn)一步的環(huán)境應(yīng)力篩選等可靠性驗證試驗表明:通過可靠性增長設(shè)計后,控制器不僅滿足了系統(tǒng)功能與性能指標(biāo)及可靠性要求,而且體積、重量、成本等綜合性能也得到了提高。

關(guān)鍵詞：控制器;可靠性;可靠性增長分析;可靠性驗證

與地-地圖像探測相比,空-地圖像探測具有探測范圍廣、無需考慮地面遮擋、響應(yīng)速度快、探測結(jié)果準(zhǔn)確性高的優(yōu)勢。而安裝在道路探測型無人機(jī)上的圖像探測控制器擔(dān)負(fù)著控制圖像探測設(shè)備的各種功能,不僅保證地面道路情況準(zhǔn)確采集,同時還能保障有效資源的合理利用,所以道路空-地圖像探測控制器在無人機(jī)系統(tǒng)中具有非常重要的地位。由于該型無人機(jī)總重不超過10 kg,因此控制器的體積要求不超過65 mm×85 mm×20 mm。目前用于無人機(jī)機(jī)載的同類產(chǎn)品雖能滿足功能需求,但體積重量與可靠性不滿足要求,因此必須對其進(jìn)行可靠性增長設(shè)計[1]以滿足小型化與高可靠性指標(biāo)要求。

小型化設(shè)計并非簡單的功能集成與減小體積重量,其關(guān)鍵技術(shù)是確保完成各項功能與性能指標(biāo)的前提下提高控制器的可靠性。

1控制器電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)控制器可靠性建模流程,首先對控制器電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

如圖1所示,控制器共分為4個單元,分別是CPU單元、驅(qū)動單元、電平轉(zhuǎn)換單元和供電單元。其中CPU單元的作用是接收外部指令,譯碼后發(fā)出數(shù)字電平控制量;驅(qū)動單元的功能是將CPU單元發(fā)出的控制量轉(zhuǎn)換成控制對象可以識別的控制電壓;電平轉(zhuǎn)換單元將外部的標(biāo)準(zhǔn)RS232電平轉(zhuǎn)換為CPU可識別的TTL電平;供電單元將機(jī)載+12 V電壓轉(zhuǎn)換為各單元所需電壓。

控制器具體工作過程為外部控制指令經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換單元的轉(zhuǎn)換后進(jìn)入CPU單元,完成譯碼后發(fā)出控制電平,經(jīng)驅(qū)動后對被控對攝像機(jī)電源、焦距、光圈、鏡頭,照相機(jī)電源、快門和機(jī)載天線與功率放大器等進(jìn)行控制。

圖1　控制器電路結(jié)構(gòu)

2控制器可靠性建模

針對控制器電路結(jié)構(gòu),下面建立控制可靠性結(jié)構(gòu)模型和數(shù)學(xué)模型。

2.1控制器串聯(lián)模型

上述電路結(jié)構(gòu)與工作過程表明,雖然控制器各單元相互獨立,但其工作過程是緊密相連的,而且控制器各功能模塊不存在冗余設(shè)計,即其中任一單元出現(xiàn)故障時控制器均不能正常工作,顯然可靠性模型屬于串聯(lián)模型。

結(jié)合圖1與串聯(lián)模型定義,控制器可靠性結(jié)構(gòu)模型為串聯(lián)模型,如圖2所示。

圖2　控制器串聯(lián)模型結(jié)構(gòu)圖

2.2數(shù)學(xué)模型

根據(jù)可靠性理論串聯(lián)模型其對應(yīng)數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中:Rs(t)為系統(tǒng)可靠度;Ri(t)為單元可靠度;n為組成系統(tǒng)的單元數(shù)。

由圖2可知,控制器由4個單元組成,所以n=4,即道路空-地圖像探測控制器的可靠性數(shù)學(xué)模型為

(2)

根據(jù)控制器的工作過程,當(dāng)控制器上電工作時,各個單元同時啟動工作,每個單元工作時間與控制器整體工作時間相同,且每個單元的工作壽命服從指數(shù)分布,因此控制器可靠性數(shù)學(xué)模型可表示為

(3)

根據(jù)(2)式分析可得,控制器可靠度為各個單元可靠度的乘積,系統(tǒng)可靠性與串聯(lián)單元數(shù)量多少有關(guān),即串聯(lián)單元數(shù)越多,可靠度越低。也就是要么減少單元數(shù)量提高控制器可靠度,要么提高各單元可靠度從而提高控制器可靠度。這樣必須對控制器各單元電路進(jìn)行詳細(xì)分析,尋求一種適合于控制器可靠性增長設(shè)計的方法。

3控制器可靠性增長設(shè)計

3.1可靠性增長設(shè)計分析

根據(jù)電路結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)模型,需在控制器4個單元中找出具有優(yōu)化空間的單元電路進(jìn)行可靠性增長設(shè)計。對4個單元電路分析如下:

·電平轉(zhuǎn)換單元:只有一個ADM202E電平轉(zhuǎn)換芯片與其外圍適配電路,沒有優(yōu)化空間;

·CPU單元:該單元是基于8051單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)[2]實現(xiàn)的,為最簡單的電路組成,沒有優(yōu)化空間;

·供電單元:第一級線性穩(wěn)壓模塊LM7805將機(jī)載+12V轉(zhuǎn)換為+5V電壓,第二級模塊TSH0512D將穩(wěn)定+5 V電壓轉(zhuǎn)換為±12 V電壓,沒有優(yōu)化空間;

·驅(qū)動單元電路:芯片數(shù)量多,占用控制器體積重量比例較大,以控制Zoom驅(qū)動電路為例,如圖3a)所示,驅(qū)動單元具有優(yōu)化空間,可進(jìn)行可靠性增長設(shè)計。

顯然,采用減少控制器單元數(shù)量的方法是不可行的。在其余3個單元可靠度無法提高的情況下,只能通過提高驅(qū)動單元可靠度提高系統(tǒng)整體可靠性[3],也就是對驅(qū)動單元電路進(jìn)行優(yōu)化。

3.2驅(qū)動單元電路優(yōu)化設(shè)計

圖3a)所示,為現(xiàn)有產(chǎn)品Zoom驅(qū)動單元電路,圖中Ra=Rb=15 k,Rc=7.5 k。當(dāng)單片機(jī)收到控制Zoom指令時,通過P0口給D/A的數(shù)據(jù)線D0～D7寫入數(shù)字量進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換:當(dāng)給地址0XXXH(P2.7)寫入FFH時,Vo輸出為+5 V(Zoom out);寫入7FH時,Vo輸出為0 V(Zoom stop);寫入00H時,Vo輸出為-5 V(Zoom in)。

圖3a)中,實現(xiàn)攝像機(jī)一種控制功能的驅(qū)動電路用了1片D/A,2個運算放大器,那么,3種控制功能共需要3片D/A,6個運算放大器,即2片四運放。

通過查閱攝像機(jī)使用說明書發(fā)現(xiàn),攝像機(jī)控制量僅為-5 V、0 V 、+5 V 3種狀態(tài)電壓,無中間線性電壓變化。所以應(yīng)用D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn),顯然浪費資源,為此考慮采用一種數(shù)字開關(guān)量實現(xiàn)3種功能三態(tài)控制的轉(zhuǎn)換方法。

圖3　Zoom驅(qū)動電路原理圖

由于運算放大器搭建的電壓比較器的重要用途之一就是作為模擬電路與數(shù)字電路的匹配電路,因此優(yōu)化方法擬采用電壓比較器實現(xiàn)這一功能。

單片機(jī)輸出控制電平只有H/L 2種形式(+5 V、0 V),所以無論哪種電平作為基準(zhǔn)電壓,都只能輸出2種控制信號,不能實現(xiàn)針對攝像機(jī)一種功能的三態(tài)控制,因此,可以把電壓比較器的基準(zhǔn)電壓設(shè)計為動態(tài)變化的電壓,即利用單片機(jī)的I/O口輸出的高/低(H/L)電平對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行編程,從而實現(xiàn)對基準(zhǔn)電壓的變化控制。具體設(shè)計思路如圖3b)所示,圖中R1=R2=R3=R4=10 k。

將圖3b)中各電阻值代入電壓比較器輸入/輸出電壓之間的關(guān)系式(4)中

(4)

得輸入/輸出電壓關(guān)系如表1所示。

表1　輸入/輸出電壓比較關(guān)系

進(jìn)一步對圖3b)中電路進(jìn)行仿真,用仿真示波器觀察輸入/輸出電壓結(jié)果如圖4所示。

圖4中,通道1、2分別為Va、Vb,其中Va輸入的激勵電壓為0 V、0 V、+5 V、+5 V(對應(yīng)電平為L、L、H、H)的周期信號;Vb輸入的激勵電壓為0 V、+5 V、0 V、+5 V(對應(yīng)電平為L、H、L、H)的周期信號;通道4為Vo,其結(jié)果為0 V、+5 V、-5 V、0V。

對比表1與圖4,二者完全擬合。也就是比較器輸入選擇適合Zoom需要的三態(tài)控制量即可滿足要求。這樣,用單片機(jī)的2個I/O端口對比較器輸入端Va、Vb進(jìn)行編程:分別輸出00H、01H、10H 3種狀態(tài),即可得到0 V、+5 V、-5 V的3種電壓控制量。

圖4　動態(tài)可編程電壓比較器仿真結(jié)果

顯然,優(yōu)化后的可編程電壓比較器驅(qū)動電路完全能夠滿足攝像機(jī)Zoom的三態(tài)電壓控制要求,那么攝像機(jī)其他功能Focus(焦距)和Aperture(光圈)的驅(qū)動均可采用此電路實現(xiàn)。

4可靠性評估與驗證

4.1可靠性增長設(shè)計評估

比較驅(qū)動電路優(yōu)化前圖3a)和優(yōu)化后圖3b),在芯片數(shù)量上,1路控制功能減少了1片D/A轉(zhuǎn)換芯片,3路控制功能則減少了3片D/A轉(zhuǎn)換芯片,同時電路結(jié)構(gòu)也得到了簡化,為印制電路板節(jié)省了體積空間,滿足了控制器體積設(shè)計要求。

由于是對道路空-地圖像探測控制器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計,所以只能采用元器件計數(shù)法對2種驅(qū)動電路的可靠性進(jìn)行分析比較,依據(jù)可靠性理論,基本可靠性表示為

(5)

式中:MTBF為系統(tǒng)的平均無故障時間[4]

(6)

式中:λGS為系統(tǒng)的總失效率;λGi為第i種元器件的通用失效率;πQi為第i種元器件的通用質(zhì)量系數(shù);Ni為第i種元器件的數(shù)量;n為設(shè)備所用元器件的種類數(shù)目。

從(5)式與(6)式可以看出,元器件數(shù)量越少,系統(tǒng)的總失效率越低,可靠性越高,即MTBF越大。

對于圖3a)的現(xiàn)有驅(qū)動電路而言,由(2)式得

(7)

由此,圖3a)中驅(qū)動電路的基本可靠性為

(8)

對于圖3b)的優(yōu)化驅(qū)動電路而言,由(2)式得

(9)

由此,圖3(b)優(yōu)化后驅(qū)動電路的基本可靠性為

(10)

式中:λGS1為圖3(a)優(yōu)化前驅(qū)動電路總失效率;λGS2為圖3(b)優(yōu)化后驅(qū)動電路總失效率。λG1為D/A芯片的失效率;πQ1為D/A芯片通用質(zhì)量系數(shù);λG2為線性運算放大器的失效率;πQ2為線性運算放大器通用質(zhì)量系數(shù);λG3為電阻器的失效率;πQ3為電阻器通用質(zhì)量系數(shù)。

比較(8)式和(10)式,MTBF2大于MTBF1,顯然優(yōu)化后驅(qū)動電路可靠性更高。

對于系統(tǒng)整體而言,參照GJB/Z299,將優(yōu)化前與優(yōu)化后控制器元器的通用失效率和通用質(zhì)量系數(shù)帶入(6)式得:

優(yōu)化前控制器的總失效率λGS1=29.082/h,平均無故障時間MTBF1=34 386 h;優(yōu)化前控制器的總失效率λGS2=21.82/h,平均無故障時間MTBF2=45 829 h。

顯然,控制器基本可靠性(間MTBF)增長[5-6]了33.2%。

4.2可靠性增長設(shè)計驗證

根據(jù)無人機(jī)機(jī)載設(shè)備可靠性驗證要求,優(yōu)化后控制器進(jìn)行了環(huán)境應(yīng)力篩選試驗。環(huán)境應(yīng)力篩選方法如圖5與表2所示。

圖5　控制器環(huán)境應(yīng)力篩選試驗方法

溫度循環(huán)時間/min低溫停留時間/min高溫停留時間/min轉(zhuǎn)換時間/min循環(huán)次數(shù)240142601910

圖5中,在控制器通電至斷電的19 min內(nèi),選擇任意溫度節(jié)點對控制器的Zoom功能進(jìn)行測試,每個循環(huán)測試1次,進(jìn)行10個循環(huán)的測試,測試結(jié)果記錄數(shù)據(jù)如表3。

表3　控制器Zoom功能測試結(jié)果記錄表

將表3中測試結(jié)果與指標(biāo)進(jìn)行對比,Zoom輸出量完全滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

5結(jié)語

針對道路探測無人機(jī)體積小可靠性高的指標(biāo)要求,論文對現(xiàn)有空-地圖像探測控制器進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。通過分析控制器硬件電路結(jié)構(gòu),建立了可靠性結(jié)構(gòu)模型與數(shù)學(xué)模型,根據(jù)模型分析,把控制器基本可靠度較低的D/A結(jié)構(gòu)驅(qū)動電路改進(jìn)為動態(tài)可編程電壓比較驅(qū)動電路。經(jīng)過可靠性評估,改進(jìn)后控制器基本可靠性理論值增長了33.2%,進(jìn)一步可靠性試驗驗證表明:改進(jìn)后控制器既滿足了可靠性指標(biāo)要求,又減小了體積重量,該方法可推廣應(yīng)用于其他領(lǐng)域的可靠性增長設(shè)計中。

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收稿日期：2015-09-16

基金項目：國家自然科學(xué)基金(61134004)資助

作者簡介：張晨(1991—)，西北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事信息工程與控制的研究。

中圖分類號：TN41, TP33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號:1000-2758(2016)03-0399-05

Design of Reliability Growth for Air to Ground Graphic Detecting Controller

Zhang Chen, Hu Yonghong

(Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Abstract:The reliability has always been one of the focuses in the field of aeronautics and astronautics, the reliability growth is a continuous improved iterative process during product design, but most of them are confined to the research of concept or top frame, rather than refer to specific engineering implementation. In this paper, an comprehensive reliability growth design method based on circuit optimization was proposed in the light of reliability growth design of road air-to-ground image detecting controller. The reliability structure model and the mathematical model were established through the analysis of the controller hardware circuit structure, then the D/A structure driving circuit with low reliability of the controller was optimized according to the model analysis conclusion, at last a new driving circuit based on dynamic programmable voltage comparator was presented. Through the reliability assessment, the basic reliability of the optimized controller was increased by 33.2% theoretically. Further reliability verification tests, such as environmental stress screening, showed that: the controller, optimized by the reliability growth design, not only met the system function and performance index and reliability requirements, but also had better comprehensive performances, such as volume, weight, cost and so on.

Keywords:controllers; reliability; reliability growth analysis; design of experiments