基于FlexRay 总线的无人机航电系统设计

豆海利

（空军工程大学 基础部，陕西 西安 710051）

0 引言

借鉴军用飞机航空电子综合化的发展，以智能化、模块化、通用化、综合化为显著特征，并具有故障诊断的无人机先进航电系统成为研究应用的热点。新一代的无人机航电系统需要采集的数据量越来越大，要求快速完成信息处理和融合，形成对战场环境的正确感知，以实现对飞机和武器系统的智能化控制，所以航电系统对高可靠、强实时的总线传输网络的依赖也越来越大。大量研究和应用验证也表明：与基于事件触发的总线协议相比，基于时间触发（TTP）的总线协议能够更好地保证通信的实时性、稳定性和安全性。

目前无人机航电发展缓慢，系统标准不统一。本文在研究ASAAC 航电标准和IMA 设计思想的基础上，针对中小型无人机，设计实现了基于FlexRay 的综合化无人机先进航电系统，具有统一的无人机航电架构，系统成本低，总线具备强实时、高可靠特点。

1 无人机航电系统的现状和发展趋势

1.1 国内无人机航电系统的现状

在国内的无人机系统方面，IMA 系统的研究尚处于初始阶段，无人机航电系统采用联合式架构，如图1 所示。这种架构由一台或两台性能较强的中心计算机和若干台子系统专用计算机组成。中心计算机主要完成与飞机作战任务有关的计算或显示、控制功能，并对各子系统进行管理、调度和控制；各子系统专用计算机则完成各自子系统内部的信号与数据处理。各子系统计算机之间独立性较强、耦合程度低、只交互少量数据，它们接收并响应来自中心计算机的命令，并周期性地上报状态信息。

图1 传统无人机航电系统结构

在联合式架构中，每个子系统设备都使用自己专用的计算机软硬件系统、专用的传感器、处理器和作动器。各子系统用总线松散地连接在一起，扩展能力差，设备种类多、成本高。随着系统任务不断增加，系统重量、功耗和成本越来越大，升级维护的复杂性明显上升，已然不再适合无人机航电系统。

1.2 国内无人机航电系统的现状

2004 年ASAAC 定义了先进（A3）的开放式标准和指导原则，对航电架构中系统管理、健康管理、重构和蓝图配置等进行详细定义。综合化、模块化、通用化、智能化、网络化成为新型航电系统的要求。

新一代先进航电系统正朝着如下方向发展：

1）综合化。在综合化阶段，通过功能综合实现共享信息，便于数据融合，系统综合控制，故障监视、检测、重构等；通过物理综合实现共享资源（处理器、存储器、I/O、总线等）。另外，综合化有助于降低系统体积和重量，提高系统的可靠性。

2）模块化。系统由标准的高性能LRM 模块组成，不同模块之间相同的功能电路可实现共用，各层软件实现模块化，包括：模块支持层软件、操作系统、系统管理软件等，为系统重构和软件的动态加载提供便利。

3）通用化、开放式体系。采用通用的软硬件标准，支持应用程序、操作系统、硬件模块之间的隔离。对成熟的民用网络进行裁剪、功能限定，并在实时性、可靠性方面进行适应性增强改进。这种“通用⁃增强型”网络作为机载网络，使得机载网络在性能改进的同时，更具有通用性、经济性。

4）智能化。在大数据的支撑下，航电系统能够对各种目标进行自动分类和识别，帮助飞行人员做出快速正确的决断。在此基础上通过人工智能完成故障分析、诊断，预测飞行寿命，是未来航电发展的趋势。

5）网络化。利用统一的航电通信网络完成机载传感器、雷达、飞控计算机等电子设备的高速可靠通信，增加机内外信息共享和交互，航空电子统一网络将成为未来航空电子的必然选择。

2 综合化航电系统架构

2.1 ASAAC 航电标准

为了解决航电系统的扩展性、可移植性，提高航电系统能力，20 世纪90 年代NATO 成立了联合标准航空电子系统结构委员会（ASAAC），主要研究航电体系结构，形成了一套标准体系，规定了综合化航电系统架构、软件、网络等5 个标准和一个系统要求指南。架构标准定义了IMA核心系统由集成机架组成，该核心机架的设计包括：

1）通信网络和相关协议统一；

2）分层的分布式软件架构；

3）分层次的系统管理；

4）结构和功能通用的功能模块。

其系统和软件架构如图2 所示。

图2 综合化航空电子系统软件总体结构

应用管理用来管理上层软件，通用系统管理系统故障和安全，蓝图模块负责整个系统的配置和故障定义，可以通过蓝图配置实现系统灵活性，模块支撑层对操作系统和底层硬件进行隔离，实现模块化管理。

2.2 ARINC653 标准

在综合化航空电子系统中，为了实现资源共享，每个处理器单元都需要运行多个任务，所以需要一个操作系统对任务进行管理。为了使得实时操作系统能够满足综合化航空电子系统的应用要求，美国ARINC 组织制定了ARINC653 架构的应用软件接口标准。

ARINC653 操作系统结构如图3 所示。

图3 ARINC653 操作系统结构

ARINC653 提出的操作系统，采用分区技术对时间、空间以及资源进行隔离保护，提供健康监控功能，支持分区间通信，从而保证各任务之间互不影响，又可以实现任务间通信。

2.3 无人机航电系统设计目标

为了适应市场需求，增加运行可靠性，减少维护成本、重量和功耗，设计出新型综合化航电系统，以新的航电标准作为指导，提出如下设计目标：

1）实现航空电子系统。采用统一的航空电子先进总线技术实现高速、实时、可靠性传输，减少无人机航电系统设备数量。

2）具备全系统自检能力、故障快速定位、隔离能力和模块化设计。

3）电源控制器可以进行电源监测，实现过流和漏电保护；实现多电源控制逻辑，控制供电，异常情况断开负载；通过CPM 内部的PHM 程序控制管理。

4）具有可分区嵌入式实时操作系统的无人机软件架构，能够实现总线的实时控制和总线监测功能。

5）深入研究ASACC 航电标准，设计出模块化，智能化，通用化，具有蓝图配置和重构的无人机先进航电系统。

2.4 无人机航电系统设计原则

通过对无人机航电系统的需求进行分析，总结出系统所需的设计原则如下：

1）通用性原则：所有节点可以互相代替，在系统中所有节点是平等的，模块通用，通过应用区分不同的任务。网络可通过配置文件完成网络参数设置，使得系统更加通用和灵活。

(1)NFC手机支付今后将主要采用卡模拟技术，具体形式为使用“手机PAY-升级版ODA”方案或者“手机APP-HCE技术-token授信”方案，绑定银行卡并加载城轨行业应用信息，进出站脱机支付。NFC手机支付可完善银行卡在城轨的受理环境，避免银行卡换卡、电子现金在特定设备上圈存余额等问题。

2）可扩展性原则：节点数量可扩展，时隙分配中确保预留足够的余量，帧ID 分配除满足目前需求外，预留扩展时隙。网络协议尽量简单，方便后续扩展。

3）兼容性原则：对无人机各种机型，以及航电系统各节点任务都能兼容。

4）高指标原则：网络中节点数量不少于15 个，并且总线速率高达10 Mb/s。

5）强实时和高可靠原则：对节点任务能够做出实时反应，并且系统对故障通过蓝图配置设计合理的处理方式。

3 系统架构设计

3.1 总线选型

在无人机领域，目前已广泛应用的分布式、串行通信总线包括1553B、ARINC429、SAFEbus、CAN 等。但是新型高性能无人机对总线的带宽、确定性、可靠性和实时性等方面的要求越来越高，这些总线已经无法满足要求。

FlexRay 总线是新一代车载总线，单通道具有高达10 Mb/s 的数据传输率，数据传输效率高达96.9%，能够为新一代的车内控制系统提供所需的通信带宽和可靠性。2006 年FlexRay 总线已经在BMW X5 汽车上成功的量产应用。FlexRay总线关注的是更快的数据传输速率、更灵活的数据通信、更全面的拓扑选择和容错通信，这些都与当今机载通信平台的一些核心需求相契合。FlexRay 总线具有确定性、同步性、可靠性、高带宽、容错性等特点，以及技术成熟度高和低成本优势，尤其适用于中小型网络，使得FlexRay 在无人机航电通信网络方面具有很大的优势。所以，借鉴CAN 总线的发展历程，FlexRay总线完全可以作为中小型无人机航电总线方案。

3.2 新型无人机航电系统架构

本文从无人机实际需求出发，借鉴第四代战机IMA优势，以ASAAC 标准和ARINC653 架构作为指导，综合对航空电子系统体系架构、软件架构、高可靠性综合航电设备设计技术、实时健康诊断技术、故障隔离与修复技术进行研究，设计出一个从分立式到综合化的航电系统架构，提升系统维护升级、健康管理功能。无人机航电系统架构如图4 所示。

图4 新型无人机航电系统架构

相比于传统的联合式无人机航电系统，本架构的主要特点如下：

2）网络统一化：采用低速双冗余FlexRay 网络作为统一通信总线，用于强周期和高可靠的数据传输，航电子节点利用FlexRay 完成数据可靠通信，Ethernet 作为高速总线，主要传输大容量的任务信息。

3）维护升级性增强、成本降低：系统升级时不需要对各个模块逐个升级，只需要对CPM 节点单元进行软硬件升级，降低了维修升级成本和复杂度。

4）具有健康管理功能：当出现故障后，系统中的蓝图模块会根据故障处理策略进行处理，并将每个模块处理不了的故障，传送给上级的HM 单元进行处理，实现故障隔离和健康管理。

5）重量、体积、功耗明显减少：各个节点通过共享CPM 和存储单元，使得各单元在不需要额外硬件单元的支持下，完成系统功能，减少了电子设备的数量。

6）完成系统重构和蓝图配置：利用集成平台配置完成综合过程和重构过程的实现，减少系统开发周期的同时，提高了系统可靠性和维护性。

7）增加系统扩展性：利用集成平台配置完成ICD的动态装载，使得系统可以应用到各个机型中，扩展性、灵活性明显增加。

3.3 航电系统接口控制文件生成

系统ICD 作为接口控制文档，定义了航电系统的接口收发内容，其中主要包含FlexRay 网络参数、各节点时隙分配、帧编码等信息，灵活性增加，本课题利用用户提供的节点ICD 数据信息，通过集成平台配置，并利用XML 文件完成了FlexRay 网络的动态装订，其框图主要如图5 所示。

图5 系统ICD 装订

3.4 系统半实物仿真平台设计

在系统架构的设计指导下，为验证方案可行性，设计出系统半实物仿真平台如图6 所示。

图6 无人机航电系统物理架构

其特点主要包括：

1）采用统一的串行总线网络，互联机箱内和机箱外的各个模块，各个资源都连接到总线上，形成一个统一的共享平台。统一总线网络也是IMA 的发展趋势，在系统维护性、扩展性方面有很大优势。

2）飞控计算机是通用的高性能计算单元，在VxWorks 6.9 操作系统的支持下，完成多任务的运行与管理，承担的任务包括飞控、航迹规划、图像跟踪、系统综合健康管理和蓝图配置等。

3）惯导、传感器、MEMS：采集导航、位置、环境、速度等信息，转换成数字信号，发送至FlexRay 总线上，供相应任务使用。

4）舵机单元完成各舵机位置、速度的解算与控制，以及将当前的位置信息回环给飞控机。

5）HM 节点：完成总线上所有数据的接收、监测功能的同时，可作为系统程序下载和升级接口，为系统维护管理和健康监测提供接口。

6）监控计算机：接收总线单元数据，通过可视化人机界面进行数据实时监控，并且可控制节点网络的启停操作。

7）每个系统节点具有健康监测模块，负责各节点的故障检测和处理，若本节点处理不了的故障上传至飞控计算机的综合健康管理模块，进行相应的故障处理。

仿真测试系统包括FlexRay 网络测试总线，还具有两条RS 422 总线：一条用于仿真控制与监控整个系统；另一条可以搭载系统节点实体，惯导、传感器和MEMS通过RS 422 总线发送位置等信息到航电节点，航电节点将其发送至总线上。各舵机节点可以直接通过M+、M-电机接口驱动电机，完成整个系统的半实物仿真。

4 结语

本文主要完成了无人机先进航电系统的总体方案设计。首先分析了无人机航电系统的现状和发展趋势；接着通过对比应用在无人机上主流的总线网络，确定FlexRay 总线为新一代无人机航电总线的首选；然后依照ASAAC 航电标准和IMA 设计思想，提出了无人机航电系统架构；最后完成了系统半实物仿真平台设计。仿真实验结果表明该设计方案合理可行，能够满足中小型无人机先进航电系统的应用要求，为未来新型分布式综合模块化航空电子系统的研究与设计提供了技术支持。