随着人们对UUV的性能和功能要求越来越高,UUV工作的环境也越来越复杂,因此需要保证UUV具有更高的可靠性。由于冗余技术可以有效提升系统可靠性,并且在国内外的无人机及飞行控制计算机系统已得到广泛应用,但是,其在UUV上的应用依然比较少见,主要因为UUV受体积、重量等的限制比较严格,所以将冗余技术应用于UUV控制系统计算机仍是很具挑战性的研究课题。
本文以研究能满足于高可靠性系统的冗余技术为基本立足点,设计一种应用于UUV控制系统的TMR (Triple Modular Redundancy)运动控制计算机系统。根据UUV控制系统现在以及未来的实际需求,依据运动控制计算机系统的冗余设计原则,从冗余结构设计、硬件设计、通信链路设计以及软件系统选择等四个方面研究并设计了计算机冗余系统总体方案。结合TMR运动控制计算机系统的结构特点以及系统的运行机制,提出了从系统的冗余管理、系统的可靠性和安全性分析以及TMR运动控制计算机系统的实验验证三个方面来实施设计方案。针对系统的冗余管理,依据冗余管理方案的设计原则提出了冗余管理方案;在方案中,针对冗余系统的任务同步问题,设计了任务同步方案,该方案采用基于任务检测点的同步算法,可以实现冗余系统的初始化同步、输入同步和输出同步;针对处理器故障和输出接口故障设计了处理器故障的心跳检测算法和输出接口故障的比较监控检测算法;针对冗余系统的表决输出问题,提出了改进的基于历史信息的“三取二”表决算法,设计了冗余系统工作在三模冗余状态以及降级之后的表决算法流程图。为验证设计方案的合理性,对TMR运动控制计算机系统进行可靠性和安全性评估。
通过建立马尔可夫状态转移模型,得出TMR运动控制计算机系统的可靠度和安全度表达式,然后针对表达式中的三个重要参数:失效率、故障覆盖率和系统运行时间,假定失效率一定时,分析对比单机系统的可靠度与TMR计算机系统对应不同故障覆盖率时的可靠度;还分析了系统的可靠度和安全度随故障覆盖率和系统运行时间的变化规律。为验证设计方案的可行性,设计了故障模拟实验,将设计的TMR运动控制计算机系统应用于舵机控制中,用于验证冗余设计方案以及故障检测算法和表决算法的可行性。
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