基于FlexRay 總線的無人機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

豆海利

（空軍工程大學(xué) 基礎(chǔ)部，陜西 西安 710051）

0 引言

借鑒軍用飛機(jī)航空電子綜合化的發(fā)展，以智能化、模塊化、通用化、綜合化為顯著特征，并具有故障診斷的無人機(jī)先進(jìn)航電系統(tǒng)成為研究應(yīng)用的熱點(diǎn)。新一代的無人機(jī)航電系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)量越來越大，要求快速完成信息處理和融合，形成對戰(zhàn)場環(huán)境的正確感知，以實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)和武器系統(tǒng)的智能化控制，所以航電系統(tǒng)對高可靠、強(qiáng)實(shí)時(shí)的總線傳輸網(wǎng)絡(luò)的依賴也越來越大。大量研究和應(yīng)用驗(yàn)證也表明：與基于事件觸發(fā)的總線協(xié)議相比，基于時(shí)間觸發(fā)（TTP）的總線協(xié)議能夠更好地保證通信的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和安全性。

目前無人機(jī)航電發(fā)展緩慢，系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。本文在研究ASAAC 航電標(biāo)準(zhǔn)和IMA 設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，針對中小型無人機(jī)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于FlexRay 的綜合化無人機(jī)先進(jìn)航電系統(tǒng)，具有統(tǒng)一的無人機(jī)航電架構(gòu)，系統(tǒng)成本低，總線具備強(qiáng)實(shí)時(shí)、高可靠特點(diǎn)。

1 無人機(jī)航電系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1.1 國內(nèi)無人機(jī)航電系統(tǒng)的現(xiàn)狀

在國內(nèi)的無人機(jī)系統(tǒng)方面，IMA 系統(tǒng)的研究尚處于初始階段，無人機(jī)航電系統(tǒng)采用聯(lián)合式架構(gòu)，如圖1 所示。這種架構(gòu)由一臺(tái)或兩臺(tái)性能較強(qiáng)的中心計(jì)算機(jī)和若干臺(tái)子系統(tǒng)專用計(jì)算機(jī)組成。中心計(jì)算機(jī)主要完成與飛機(jī)作戰(zhàn)任務(wù)有關(guān)的計(jì)算或顯示、控制功能，并對各子系統(tǒng)進(jìn)行管理、調(diào)度和控制；各子系統(tǒng)專用計(jì)算機(jī)則完成各自子系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)與數(shù)據(jù)處理。各子系統(tǒng)計(jì)算機(jī)之間獨(dú)立性較強(qiáng)、耦合程度低、只交互少量數(shù)據(jù)，它們接收并響應(yīng)來自中心計(jì)算機(jī)的命令，并周期性地上報(bào)狀態(tài)信息。

圖1 傳統(tǒng)無人機(jī)航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在聯(lián)合式架構(gòu)中，每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)備都使用自己專用的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)、專用的傳感器、處理器和作動(dòng)器。各子系統(tǒng)用總線松散地連接在一起，擴(kuò)展能力差，設(shè)備種類多、成本高。隨著系統(tǒng)任務(wù)不斷增加，系統(tǒng)重量、功耗和成本越來越大，升級(jí)維護(hù)的復(fù)雜性明顯上升，已然不再適合無人機(jī)航電系統(tǒng)。

1.2 國內(nèi)無人機(jī)航電系統(tǒng)的現(xiàn)狀

2004 年ASAAC 定義了先進(jìn)（A3）的開放式標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)原則，對航電架構(gòu)中系統(tǒng)管理、健康管理、重構(gòu)和藍(lán)圖配置等進(jìn)行詳細(xì)定義。綜合化、模塊化、通用化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化成為新型航電系統(tǒng)的要求。

新一代先進(jìn)航電系統(tǒng)正朝著如下方向發(fā)展：

1）綜合化。在綜合化階段，通過功能綜合實(shí)現(xiàn)共享信息，便于數(shù)據(jù)融合，系統(tǒng)綜合控制，故障監(jiān)視、檢測、重構(gòu)等；通過物理綜合實(shí)現(xiàn)共享資源（處理器、存儲(chǔ)器、I/O、總線等）。另外，綜合化有助于降低系統(tǒng)體積和重量，提高系統(tǒng)的可靠性。

2）模塊化。系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)的高性能LRM 模塊組成，不同模塊之間相同的功能電路可實(shí)現(xiàn)共用，各層軟件實(shí)現(xiàn)模塊化，包括：模塊支持層軟件、操作系統(tǒng)、系統(tǒng)管理軟件等，為系統(tǒng)重構(gòu)和軟件的動(dòng)態(tài)加載提供便利。

3）通用化、開放式體系。采用通用的軟硬件標(biāo)準(zhǔn)，支持應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)、硬件模塊之間的隔離。對成熟的民用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行裁剪、功能限定，并在實(shí)時(shí)性、可靠性方面進(jìn)行適應(yīng)性增強(qiáng)改進(jìn)。這種“通用?增強(qiáng)型”網(wǎng)絡(luò)作為機(jī)載網(wǎng)絡(luò)，使得機(jī)載網(wǎng)絡(luò)在性能改進(jìn)的同時(shí)，更具有通用性、經(jīng)濟(jì)性。

4）智能化。在大數(shù)據(jù)的支撐下，航電系統(tǒng)能夠?qū)Ω鞣N目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)分類和識(shí)別，幫助飛行人員做出快速正確的決斷。在此基礎(chǔ)上通過人工智能完成故障分析、診斷，預(yù)測飛行壽命，是未來航電發(fā)展的趨勢。

5）網(wǎng)絡(luò)化。利用統(tǒng)一的航電通信網(wǎng)絡(luò)完成機(jī)載傳感器、雷達(dá)、飛控計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的高速可靠通信，增加機(jī)內(nèi)外信息共享和交互，航空電子統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)將成為未來航空電子的必然選擇。

2 綜合化航電系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 ASAAC 航電標(biāo)準(zhǔn)

為了解決航電系統(tǒng)的擴(kuò)展性、可移植性，提高航電系統(tǒng)能力，20 世紀(jì)90 年代NATO 成立了聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)委員會(huì)（ASAAC），主要研究航電體系結(jié)構(gòu)，形成了一套標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)定了綜合化航電系統(tǒng)架構(gòu)、軟件、網(wǎng)絡(luò)等5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和一個(gè)系統(tǒng)要求指南。架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)定義了IMA核心系統(tǒng)由集成機(jī)架組成，該核心機(jī)架的設(shè)計(jì)包括：

1）通信網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)協(xié)議統(tǒng)一；

2）分層的分布式軟件架構(gòu)；

3）分層次的系統(tǒng)管理；

4）結(jié)構(gòu)和功能通用的功能模塊。

其系統(tǒng)和軟件架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 綜合化航空電子系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

應(yīng)用管理用來管理上層軟件，通用系統(tǒng)管理系統(tǒng)故障和安全，藍(lán)圖模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的配置和故障定義，可以通過藍(lán)圖配置實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靈活性，模塊支撐層對操作系統(tǒng)和底層硬件進(jìn)行隔離，實(shí)現(xiàn)模塊化管理。

2.2 ARINC653 標(biāo)準(zhǔn)

在綜合化航空電子系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)資源共享，每個(gè)處理器單元都需要運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，所以需要一個(gè)操作系統(tǒng)對任務(wù)進(jìn)行管理。為了使得實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠滿足綜合化航空電子系統(tǒng)的應(yīng)用要求，美國ARINC 組織制定了ARINC653 架構(gòu)的應(yīng)用軟件接口標(biāo)準(zhǔn)。

ARINC653 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 ARINC653 操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ARINC653 提出的操作系統(tǒng)，采用分區(qū)技術(shù)對時(shí)間、空間以及資源進(jìn)行隔離保護(hù)，提供健康監(jiān)控功能，支持分區(qū)間通信，從而保證各任務(wù)之間互不影響，又可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信。

2.3 無人機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

為了適應(yīng)市場需求，增加運(yùn)行可靠性，減少維護(hù)成本、重量和功耗，設(shè)計(jì)出新型綜合化航電系統(tǒng)，以新的航電標(biāo)準(zhǔn)作為指導(dǎo)，提出如下設(shè)計(jì)目標(biāo)：

1）實(shí)現(xiàn)航空電子系統(tǒng)。采用統(tǒng)一的航空電子先進(jìn)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速、實(shí)時(shí)、可靠性傳輸，減少無人機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量。

2）具備全系統(tǒng)自檢能力、故障快速定位、隔離能力和模塊化設(shè)計(jì)。

3）電源控制器可以進(jìn)行電源監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)過流和漏電保護(hù)；實(shí)現(xiàn)多電源控制邏輯，控制供電，異常情況斷開負(fù)載；通過CPM 內(nèi)部的PHM 程序控制管理。

4）具有可分區(qū)嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的無人機(jī)軟件架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)總線的實(shí)時(shí)控制和總線監(jiān)測功能。

5）深入研究ASACC 航電標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出模塊化，智能化，通用化，具有藍(lán)圖配置和重構(gòu)的無人機(jī)先進(jìn)航電系統(tǒng)。

2.4 無人機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

通過對無人機(jī)航電系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，總結(jié)出系統(tǒng)所需的設(shè)計(jì)原則如下：

1）通用性原則：所有節(jié)點(diǎn)可以互相代替，在系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)是平等的，模塊通用，通過應(yīng)用區(qū)分不同的任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)可通過配置文件完成網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置，使得系統(tǒng)更加通用和靈活。

(1)NFC手機(jī)支付今后將主要采用卡模擬技術(shù)，具體形式為使用“手機(jī)PAY-升級(jí)版ODA”方案或者“手機(jī)APP-HCE技術(shù)-token授信”方案，綁定銀行卡并加載城軌行業(yè)應(yīng)用信息，進(jìn)出站脫機(jī)支付。NFC手機(jī)支付可完善銀行卡在城軌的受理環(huán)境，避免銀行卡換卡、電子現(xiàn)金在特定設(shè)備上圈存余額等問題。

2）可擴(kuò)展性原則：節(jié)點(diǎn)數(shù)量可擴(kuò)展，時(shí)隙分配中確保預(yù)留足夠的余量，幀ID 分配除滿足目前需求外，預(yù)留擴(kuò)展時(shí)隙。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議盡量簡單，方便后續(xù)擴(kuò)展。

3）兼容性原則：對無人機(jī)各種機(jī)型，以及航電系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)任務(wù)都能兼容。

4）高指標(biāo)原則：網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量不少于15 個(gè)，并且總線速率高達(dá)10 Mb/s。

5）強(qiáng)實(shí)時(shí)和高可靠原則：對節(jié)點(diǎn)任務(wù)能夠做出實(shí)時(shí)反應(yīng)，并且系統(tǒng)對故障通過藍(lán)圖配置設(shè)計(jì)合理的處理方式。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總線選型

在無人機(jī)領(lǐng)域，目前已廣泛應(yīng)用的分布式、串行通信總線包括1553B、ARINC429、SAFEbus、CAN 等。但是新型高性能無人機(jī)對總線的帶寬、確定性、可靠性和實(shí)時(shí)性等方面的要求越來越高，這些總線已經(jīng)無法滿足要求。

FlexRay 總線是新一代車載總線，單通道具有高達(dá)10 Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸率，數(shù)據(jù)傳輸效率高達(dá)96.9%，能夠?yàn)樾乱淮能噧?nèi)控制系統(tǒng)提供所需的通信帶寬和可靠性。2006 年FlexRay 總線已經(jīng)在BMW X5 汽車上成功的量產(chǎn)應(yīng)用。FlexRay總線關(guān)注的是更快的數(shù)據(jù)傳輸速率、更靈活的數(shù)據(jù)通信、更全面的拓?fù)溥x擇和容錯(cuò)通信，這些都與當(dāng)今機(jī)載通信平臺(tái)的一些核心需求相契合。FlexRay 總線具有確定性、同步性、可靠性、高帶寬、容錯(cuò)性等特點(diǎn)，以及技術(shù)成熟度高和低成本優(yōu)勢，尤其適用于中小型網(wǎng)絡(luò)，使得FlexRay 在無人機(jī)航電通信網(wǎng)絡(luò)方面具有很大的優(yōu)勢。所以，借鑒CAN 總線的發(fā)展歷程，F(xiàn)lexRay總線完全可以作為中小型無人機(jī)航電總線方案。

3.2 新型無人機(jī)航電系統(tǒng)架構(gòu)

本文從無人機(jī)實(shí)際需求出發(fā)，借鑒第四代戰(zhàn)機(jī)IMA優(yōu)勢，以ASAAC 標(biāo)準(zhǔn)和ARINC653 架構(gòu)作為指導(dǎo)，綜合對航空電子系統(tǒng)體系架構(gòu)、軟件架構(gòu)、高可靠性綜合航電設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)、實(shí)時(shí)健康診斷技術(shù)、故障隔離與修復(fù)技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一個(gè)從分立式到綜合化的航電系統(tǒng)架構(gòu)，提升系統(tǒng)維護(hù)升級(jí)、健康管理功能。無人機(jī)航電系統(tǒng)架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 新型無人機(jī)航電系統(tǒng)架構(gòu)

相比于傳統(tǒng)的聯(lián)合式無人機(jī)航電系統(tǒng)，本架構(gòu)的主要特點(diǎn)如下：

2）網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一化：采用低速雙冗余FlexRay 網(wǎng)絡(luò)作為統(tǒng)一通信總線，用于強(qiáng)周期和高可靠的數(shù)據(jù)傳輸，航電子節(jié)點(diǎn)利用FlexRay 完成數(shù)據(jù)可靠通信，Ethernet 作為高速總線，主要傳輸大容量的任務(wù)信息。

3）維護(hù)升級(jí)性增強(qiáng)、成本降低：系統(tǒng)升級(jí)時(shí)不需要對各個(gè)模塊逐個(gè)升級(jí)，只需要對CPM 節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行軟硬件升級(jí)，降低了維修升級(jí)成本和復(fù)雜度。

4）具有健康管理功能：當(dāng)出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)中的藍(lán)圖模塊會(huì)根據(jù)故障處理策略進(jìn)行處理，并將每個(gè)模塊處理不了的故障，傳送給上級(jí)的HM 單元進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)故障隔離和健康管理。

5）重量、體積、功耗明顯減少：各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過共享CPM 和存儲(chǔ)單元，使得各單元在不需要額外硬件單元的支持下，完成系統(tǒng)功能，減少了電子設(shè)備的數(shù)量。

6）完成系統(tǒng)重構(gòu)和藍(lán)圖配置：利用集成平臺(tái)配置完成綜合過程和重構(gòu)過程的實(shí)現(xiàn)，減少系統(tǒng)開發(fā)周期的同時(shí)，提高了系統(tǒng)可靠性和維護(hù)性。

7）增加系統(tǒng)擴(kuò)展性：利用集成平臺(tái)配置完成ICD的動(dòng)態(tài)裝載，使得系統(tǒng)可以應(yīng)用到各個(gè)機(jī)型中，擴(kuò)展性、靈活性明顯增加。

3.3 航電系統(tǒng)接口控制文件生成

系統(tǒng)ICD 作為接口控制文檔，定義了航電系統(tǒng)的接口收發(fā)內(nèi)容，其中主要包含F(xiàn)lexRay 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、各節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配、幀編碼等信息，靈活性增加，本課題利用用戶提供的節(jié)點(diǎn)ICD 數(shù)據(jù)信息，通過集成平臺(tái)配置，并利用XML 文件完成了FlexRay 網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)裝訂，其框圖主要如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)ICD 裝訂

3.4 系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)下，為驗(yàn)證方案可行性，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)如圖6 所示。

圖6 無人機(jī)航電系統(tǒng)物理架構(gòu)

其特點(diǎn)主要包括：

1）采用統(tǒng)一的串行總線網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)機(jī)箱內(nèi)和機(jī)箱外的各個(gè)模塊，各個(gè)資源都連接到總線上，形成一個(gè)統(tǒng)一的共享平臺(tái)。統(tǒng)一總線網(wǎng)絡(luò)也是IMA 的發(fā)展趨勢，在系統(tǒng)維護(hù)性、擴(kuò)展性方面有很大優(yōu)勢。

2）飛控計(jì)算機(jī)是通用的高性能計(jì)算單元，在VxWorks 6.9 操作系統(tǒng)的支持下，完成多任務(wù)的運(yùn)行與管理，承擔(dān)的任務(wù)包括飛控、航跡規(guī)劃、圖像跟蹤、系統(tǒng)綜合健康管理和藍(lán)圖配置等。

3）慣導(dǎo)、傳感器、MEMS：采集導(dǎo)航、位置、環(huán)境、速度等信息，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，發(fā)送至FlexRay 總線上，供相應(yīng)任務(wù)使用。

4）舵機(jī)單元完成各舵機(jī)位置、速度的解算與控制，以及將當(dāng)前的位置信息回環(huán)給飛控機(jī)。

5）HM 節(jié)點(diǎn)：完成總線上所有數(shù)據(jù)的接收、監(jiān)測功能的同時(shí)，可作為系統(tǒng)程序下載和升級(jí)接口，為系統(tǒng)維護(hù)管理和健康監(jiān)測提供接口。

6）監(jiān)控計(jì)算機(jī)：接收總線單元數(shù)據(jù)，通過可視化人機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且可控制節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的啟停操作。

7）每個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)具有健康監(jiān)測模塊，負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)的故障檢測和處理，若本節(jié)點(diǎn)處理不了的故障上傳至飛控計(jì)算機(jī)的綜合健康管理模塊，進(jìn)行相應(yīng)的故障處理。

仿真測試系統(tǒng)包括FlexRay 網(wǎng)絡(luò)測試總線，還具有兩條RS 422 總線：一條用于仿真控制與監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)；另一條可以搭載系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)實(shí)體，慣導(dǎo)、傳感器和MEMS通過RS 422 總線發(fā)送位置等信息到航電節(jié)點(diǎn)，航電節(jié)點(diǎn)將其發(fā)送至總線上。各舵機(jī)節(jié)點(diǎn)可以直接通過M+、M-電機(jī)接口驅(qū)動(dòng)電機(jī)，完成整個(gè)系統(tǒng)的半實(shí)物仿真。

4 結(jié)語

本文主要完成了無人機(jī)先進(jìn)航電系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)。首先分析了無人機(jī)航電系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；接著通過對比應(yīng)用在無人機(jī)上主流的總線網(wǎng)絡(luò)，確定FlexRay 總線為新一代無人機(jī)航電總線的首選；然后依照ASAAC 航電標(biāo)準(zhǔn)和IMA 設(shè)計(jì)思想，提出了無人機(jī)航電系統(tǒng)架構(gòu)；最后完成了系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案合理可行，能夠滿足中小型無人機(jī)先進(jìn)航電系統(tǒng)的應(yīng)用要求，為未來新型分布式綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。