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    • 影响无人机可靠性的因素和无人机可靠性设计

      影响无人机可靠性的环境因素和外部因素


      影响无人机可靠性的因素和无人机可靠性设计

          尽管人们习惯性地将可靠性问题归因于系统内部因素(比如:零部件的可靠性),但外部因素对无人机的可靠性也产生相当大的影响。这些环境和外部因素往往是影响整个系统的可靠性,恶化系统中的任何一个零部件。而且,不管系统的使用年限长否,这些因素自始至终地影响着装备系统。这些外部因素因地域或季节的不同而不同,比如与气候有关的因素等。但是,如果严格按照系统的使用规范进行操作,可以大大减轻这些因素对可靠性的影响。

      (1)降雨

      比起有人驾驶飞机来,多数无人机较易受降雨的影响。这主要有三个原因(1)多数无人机尺寸相对较小

      (2)它们多利用木制螺旋桨

      (3)较少注意防水密封。

      由于无人机尺寸相对较小,所以它们更易受到降雨的不利影响。对 F-16 飞机造成轻微影响的降雨,对“先锋”无人机可能就是中等程度的降雨。目前对无人机遭遇降雨还没有很好的解决措施,只是遇到这种天气情况时,避免起飞或着陆,或者降低飞行速度,以减少降雨的不利影响。

      尺寸较小的无人机多采用木制螺旋桨,以降低成本和减轻重量。“先锋”无人机尽管采用推进式发动机,但其螺旋桨几乎每次飞行都要更换。降雨尤其对木制螺旋桨造成危害,因为雨水能很快(几分钟内)侵蚀桨叶前缘,恶化转子的气动性能。解决此问题的措施是

      (1)采用复合材料螺旋桨

      (2)采用金属材料螺旋桨

      (3)木制螺旋桨,但桨叶前缘采用复合材料或金属材料。

      选用复合材料螺旋桨成本较高,但重量较轻且坚固耐用。采用金属材料螺旋桨成本较高,重量较重,但持久耐用,尤其适用于替换易损坏的木制桨叶。“先锋”无人机的木制螺旋桨成本为 275 美元,其复合材料螺旋桨为 600 美元,金属制螺旋桨则为750 美元,是木制的三倍。尽管它们成本不同,但作为无人机飞行关键元件来说,都是可以接受的。
      无人机与有人机不同,机身上设计了大量的舱口盖以利于维修人员进入机体内维修。而且尺寸较小的无人机飞行速度较低,这也就意味着设计人员不太注重机身的空气动力特性。由于以上两个原因,导致无人机舱口盖密封效果不佳。遭遇降雨时,雨水可能会进入机体,对其内部电子设备造成危害。解决措施是除使用密封圈外,还要提高设计精度。

      (2)结冰

      另一个影响可靠性的环境因素就是结冰,这种危害即使在晴好天气也可能发生。机翼结冰对飞机飞行危害最大。一旦在机翼上形成结冰,随后便会在控制面上结冰。积冰破坏了机翼流线外形,对飞机操纵性产生不利影响。当较大的积冰脱落时,会对螺旋桨造成危害。积冰达到一定限度,就会超过飞行控制系统的调控极限,从而破坏控制面铰链的运动,极大地影响机翼外形和无人机操纵性。致使无人机进入失速状态,直至坠毁。结冰除改变无人机空气动力特性造成危害外,积冰的重量也能成为危害因素,特别是在小型无人机上,更是如此。比如,在“先锋”无人机上 0.1 英寸的积冰造成的影响与波音 747 上 1 英寸积冰造成的危害相当。

      在过去的 3 年里,由于结冰事故导致损失了 2 架“猎人”和 3 架“捕食者”无人机,经济损失达千万美元。这些事故都发生在 9 月到 4 月之间。这提醒人们尤其要注意无人机在寒冷天气的操作,包括无人机的试验与评价、无人机操作人员在寒冷天气中的培训。

      (3)风

      相比较有人机,风在总体上对无人机、尤其是小型无人机造成的影响也较大。这主要是由于它们的设计(比如操纵面面积、作动器响应频率、飞行速度等)造成对环境(比如阵风、翼载等)响应不够理想。这些影响因素中,一部分是小型无人机无法克服的,另一部分是设计者没有将可靠性设计到系统中去。

      高的风速不但影响无人机的起飞和着陆,而且在飞行过程中易形成紊流。多数无人机,比起有人机来尺寸较小,飞行速度较低,更易受到紊流的影响。尺寸越小,受干扰程度就越大。对有人机影响轻微的天气紊流,对无人机来说,甚至包括“捕食者”这样的战术无人机,就有可能造成视频不稳、飞行不稳定、数据链丢失、失去控制等事故。对于无人机视频不稳,可以考虑安装稳定的成像传感装置。而对于不稳定飞行,则通过采用变距螺旋桨来解决。由于紊流造成的数据链丢失,则应用全向天线替代定向天线。利用回收降落伞系统可以减少由于失去控制所造成的无人机坠机事故。

      (4)雷诺数

      注:雷诺数是流体力学中表征粘性影响的相似准则数。为纪念O.雷诺而命名,记作Re。雷诺数,又称雷诺准数,是用以判别粘性流体流动状态的一个无因次数群。 

      1883年英国人雷诺(O.Reynolds)观察了流体在圆管内的流动,首先指出,流体的流动形态除了与流速(ω)有关外,还与管径(d)、流体的粘度(μ)、流体的密度(ρ)这3个因素有关。
      Re=ρvL/μ,ρ、μ为流体密度和动力粘性系数,v、L为流场的特征速度和特征长度。雷诺数物理上表示惯性力和粘性力量级的比。对外流问题,v、L一般取远前方来流速度和物体主要尺寸(如机翼弦长或圆球直径);内流问题则取通道内平均流速和通道直径。两个几何相似流场的雷诺数相等,则对应微团的惯性力与粘性力之比相等。雷诺数较小时,粘滞力对流场的影响大于惯性,流场中流速的扰动会因粘滞力而衰减,流体流动稳定,为层流;反之,若雷诺数较大时,惯性对流场的影响大于粘滞力,流体流动较不稳定,流速的微小变化容易发展、增强,形成紊乱、不规则的紊流流场。

      无人机越小,其操纵面就相对较大,因为在不利坏境下要加强它们的操纵性。由于操纵面的操控要求随雷诺数的不同而不同,所以,雷诺数是另一个值得考虑的外部因素。通过研究显示,对于小型无人机,但却在传统上属于大型飞机的飞行剖面(飞行高度或飞行速度)中飞行,那么它的可靠性较低。研究表明,系统工程技术和零部件的可靠性是造成无人机故障的主要因素,而与雷诺数相关的故障处于第二位。

      目前对无人机低雷诺数飞行状态开展的研究不多。正如无人机有许多类别一样,它们飞行时的飞行环境也各不相同。因此,必须对雷诺数的影响有更好的理解以便更深入地把握下列问题:

      (1)稳定和非稳定流的影响;

      (2)三维层流/湍流的转换;

      (3)在包括无人机飞行剖面范围内的雷诺数和马赫数下的理想的翼型和机翼几何尺寸。加大对低雷诺数发动机部件的投入也十分关键。低速或高空无人机的涡轮机面对的飞行环境不同于现代推进器传统上所准备的环境。排热、涡轮和压缩机叶尖损失以及低动压只是在这种低雷诺数条件下使小型推进系统性能降级的少数几个因素。

      无人机的可靠性设计

      无人机开发商,一般比较注重产品寿命周期的采办阶段。实际上,对于无人机的可靠性,应贯穿于其寿命周期的各个阶段。从确定无人机的需求开始,经过概念设计、初步设计和详细设计阶段,一直到无人机的使用和退役,都与可靠性密切相关。大量的实践说明,一个可靠的无人机系统不但要注重其系统性能,而且在概念设计阶段就要注意可靠性、维修性的设计。

      如果在无人机设计阶段,以牺牲其可靠性为代价,片面追求性能要求,就会导致无人机在外场使用中的许多问题,如任务成功率低、维修资源利用率高等。尽管一些方法(如失效模式与影响分析、概率风险评估、质量功能展开等)可用来解决这些问题,但如果在无人机寿命周期的早期运用这些工具,效果会更好。从飞行控制软件的开发上可清楚地印证这一点。在寿命周期内,软件错误出现的越早,纠正措施所需的代价就越低。

      为在控制成本的同时达到提高可靠性目的,以下原则在设计所有无人机子系统时必须予以考虑:

      • 运用系统工程与设计实践标准进行设计

      • 设计力求简单

      • 加强预先诊断能力设计

      • 确保材料和零件的可互换性

      • 考虑人为因素(在制造、操作和维护中)对无人机的敏感性

      • 基于故障模式与影响分析,运用冗余设计和故障安全保护设计手段

      • 可生产性设计

      • 优先使用已得到验证的材料和零件

      • 对材料和零件质量的维持和控制

      在无人机可靠性设计中,零部件的质量必须保证。对于一些复杂的零部件,开发商必须调查更多的因素和后勤问题,比如:零部件制造商的声誉、零部件在其它领域的使用及性能状况等。有时即使是个别零件的可靠性符合要求,但整个系统的可靠性却达不到要求。

      可靠性的设计也必须考虑子系统和零部件的冗余问题。这对于飞行关键系统、可靠性低的零件更是如此。当然,这有可能增加产品成本,但是成本利益分析显示,它可以减轻风险。如果现有的货架产品技术达不到客户要求,开发商就要寻求用于可行解决方案的新的零件技术。

      (1)零件质量

      平均失效间隔时间(MTBF)是描述可靠性的一个重要参数。这是由于系统、子系统的MTBF 以及单个零件的 MTBF 对整个无人机的可靠性有着巨大的影响。这种影响可通过图6 看出,它反映了不同 MTBF 值的可靠性状况。可靠性也是任务持续时间的函数,任务持续时间越长,可靠性就越低。MTBF 提高,就意味着失效率减小。图 7 表示了失效率与任务持续时间的关系。

      影响无人机可靠性的因素和无人机可靠性设计

      影响无人机可靠性的因素和无人机可靠性设计

      在一个具体的子系统内,元件一般集成使用。一个元件的失效会诱发整个系列的失效。因此元件的可靠性会影响到子系统的可靠性,进而影响无人机系统可靠性。表 4 表示了元件可靠性与系统可靠性的关系。可靠性的数值大小用“9”的个数表示。例如,一个系统可靠性为 99.99%,就是说可靠性为 4 个 9。

      影响无人机可靠性的因素和无人机可靠性设计

      如果一个零部件具有 99.999%的可靠性,一个子系统由 100 个此种零件组成,那么此系统的可靠性只有 99.9%。因此,有时即使是个别零件的可靠性符合要求,但整个系统的可靠性却达不到要求。

      2)冗余

      如果零部件可靠性不够充分,则一般会采用冗余设计方法来提高整个系统的可靠性,但以增加系统复杂性、重量、体积、动力消耗和成本为代价。冗余方法在提高任务可靠性的同时,也会对后勤可靠性带来不利影响。这是由于该方法要求有更多的备件储备。冗余分工作冗余和备用冗余两种。工作冗余是指所有冗余同时处于工作状态;而备用冗余是指原来工作的冗余发生故障后,替代冗余才开始工作的情况。比如电传操纵飞机的多余度飞行控制系统就是典型的工作冗余。图 8 表示了冗余与失效率的关系。

      影响无人机可靠性的因素和无人机可靠性设计

      对于一个具体的系统,其 MTBF 在设计上虽然固定不变,但采用冗余方法后,失效率将发生变化。例如,对于一个无人机飞行控制系统,设计的 MTBF 为 50 小时,研发机构指定平均的任务持续时间为 11 小时,也就是说,每执行 5 个任务就会出现失效。如果采用双余度设计,失效率降为 1/20。如果采用三余度设计,例 MQ-9 的飞行控制系统,失效率将大大降低,低于 1%。

      (3)新技术

      如果现有零件质量和冗余方法不能满足系统任务可靠性问题,设计人员必须寻求新的零件技术来解决可靠性问题。例如:

       形状记忆合金的使用将较少或取消伺服和激励装置。

       生物高分子材料将带来抗疲劳、重量轻和强度高的机体结构。

       自行修补复合材料将减少飞机在执行任务中出现的材料结构问题。

      无人机常用的可靠性测试

      1、无人机高低温测试

      由于无人器作业的环境条件往往多变且复杂,而且每一款机器对于内部功耗发热的控制能力有所区别,最终导致飞行器自身的硬件对于温度的适应能有所不同,所以为了满足更多或者特定条件下的作业需求,高低温条件下的飞行测试是必须的。不能说,飞行器在南方飞没有问题,但是带到北方竟无法起飞,又或是无人机在温度高或者温度低的条件下储存,飞行器竟出现了未知的故障等等,对于普通消费者来说,这样的结果都是无法接受的。 

      2. 无人机跌落测试

      跌落测试是目前绝大多数产品都需要做的一项常规测试,一方面是为了检验无人机产品的包装是否能很好地保护好产品本身以确保运输安全;另一方面其实就是飞行器的硬件可靠性,毕竟飞行器像常用的智能手机一样,无法避免地会出现一些小磕小碰,或者甚至出现意外摔机的情况,良好且牢靠的硬件性能可以大大提升飞行器对于外界的抵御能力,将机器损坏降到最低,减少维护的时间和成本。 

      3. 无人机GPS搜星测试 

      对于一款无人机飞行器来说, GPS模块是一个非常基本的硬件需求,属于飞行器控制系统的重要传感器单元之一。不仅可以提供位置坐标及飞行速度等数据信息,同时,在功能上可以辅助实现精准悬停,航线规划和自动返航等等众多智能功能。所以,飞行器搜星的速度和数量对于无人机来说是非常重要的,速度太慢,你可能需要等很长的时间才敢起飞,星数太少或者不稳定,在飞行的过程中丢星其实也会影响到飞行操控和安全。 

      4. 无人机振动测试 

      无人机内部有很多的传感器,比如IMU惯性测量单元,这些感知的数据如果因为振动受影响,最终的结果就是飞行器可能会“疯”掉,完全不受控制;其次,内部硬件结构复杂,机身的一体化强度要求较高,如果振动导致硬件连接异常,螺丝或者模块松懈等等,其实都是不能容忍的。同时,飞行器自身的振动会影响到飞行的稳定和航拍的效果。要知道,如果你经常外出,路上会受车辆颠簸振动的影响,起飞和降落不流畅或者经常磕磕碰碰也会受到振动的影响,所以飞行器对于振动的抵御能力不可忽略。 

       5. 无人机按键测试 

      无人机的遥控器上有控制摇杆和很多的功能按键,机身上也有对频键,电池扣等等,这些按键随着长期地频繁使用都会出现老化和磨损,按键测试其实就是在最大使用强度下,测试这些按键是否能持续正常工作,抗老化的能力有多强,毕竟按键坏了,飞行控制和功能使用都会受到影响,客户体验不佳。  

       6.无人机线路弯折测试 

      随着无人机一体化的发展,很多的连线都被商场绞尽脑汁尽可能地设计减少了,但还是会不可避免地有一些模块之间的连线,而这些线路会出现长期的弯折,所以必要的弯折测试以检测模块之间的连接可靠性非常重要,比如云台一般在机身的下方,云台的FPC排线一般肉眼可以看到,如果该排线损坏云台将与机身断连,无法工作;还有,一旦这些排线破损或者短路,也不能影响到无人机其它模块的正常运作。

      本文转载自

      1、《美国军用无人机可靠性趋势与分析》(中国航空工业发展研究中心 于晓伟)

      2、《无人机常见可靠性测试》——全球无人机网

      广东·深圳
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