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无人机的可靠性设计与测试的必要性分析

2020年09月16日 11:23 次阅读

  无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机,包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机。无人机按不同使用领域来划分,无人机可分为军用、民用和消费级三大类。

  无人机是一种自身携带传感器少,本身不能排除故障,自主控制能力较差的一种无人驾驶飞行器,其控制在很大程度上要比有人作战飞机复杂得多,一旦发生故障无人机的生存概率比较低。

  影响无人机可靠性的环境因素

  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。

  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。

  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。

  4、雷诺数

  雷诺数是流体力学中表征粘性影响的相似准则数。 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。

  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:

  1.运用系统工程与设计实践标准进行设计

  2.设计力求简单

  3.加强预先诊断能力设计

  4.确保材料和零件的可互换性

  5.考虑人为因素(在制造、操作和维护中)对无人机的敏感性

  6.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

  7.可生产性设计

  8.优先使用已得到验证的材料和零件

  9.对材料和零件质量的维持和控制

  无人机常用的六大可靠性测试

  无人机的可靠性设计与测试的必要性分析

  1、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、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、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、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、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、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。

  责任编辑:gt

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