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無人機可靠性知識大全(含故障影響因素、可靠性設計方法、可靠性測試項目)

嘉峪檢測網        2019-10-29 15:41

無人機是什么?

 

     無人機是無人駕駛飛機的簡稱(Unmanned Aerial Vehicle),是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置的不載人飛機,包括無人直升機、固定翼機、多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機。廣義地看也包括臨近空間飛行器(20-100公里空域),如平流層飛艇、高空氣球、太陽能無人機等。從某種角度來看,無人機可以在無人駕駛的條件下完成復雜空中飛行任務和各種負載任務,可以被看做是“空中機器人”。

 

     按照不同平臺構型來分類,無人機可主要有固定翼無人機、無人直升機和多旋翼無人機三大平臺,其它小種類無人機平臺還包括傘翼無人機、撲翼無人機和無人飛船等。固定翼無人機是軍用和多數民用無人機的主流平臺,最大特點是飛行速度較快;無人直升機是靈活性最強的無人機平臺,可以原地垂直起飛和懸停;多旋翼(多軸)無人機是消費級和部分民用用途的首選平臺,靈活性介于固定翼和直升機中間(起降需要推力),但操縱簡單、成本較低。

 

      按不同使用領域來劃分,無人機可分為軍用、民用和消費級三大類,對于無人機的性能要求各有偏重:

 
     1)軍用無人機對于靈敏度、飛行高度速度、智能化等有著更高的要求,是技術水平最高的無人機,包括偵察、誘餌、電子對抗、通信中繼、靶機和無人戰斗機等機型;

 

      2)民用無人機一般對于速度、升限和航程等要求都較低,但對于人員操作培訓、綜合成本有較高的要求,因此需要形成成熟的產業鏈提供盡可能低廉的零部件和支持服務,目前來看民用無人機最大的市場在于政府公共服務的提供,如警用、消防、氣象等,占到總需求的約70%,而我們認為未來無人機潛力最大的市場可能就在民用,新增市場需求可能出現在農業植保、貨物速度、空中無線網絡、數據獲取等領域;

 

      3)消費級無人機一般采用成本較低的多旋翼平臺,用于航拍、游戲等休閑用途。

 

無人機頻頻失事

 

  美軍雖然是當今世界使用無人機最多的部隊,已記錄的飛行時間遠超400萬飛行小時,但美國國防部對于無人機使用的詳情卻一直三緘其口。隨著伊拉克、阿富汗戰爭的爆發,美軍無人機墜毀事故頻頻發生。在《華盛頓郵報》長達一年的調查中,一個觸目驚心的數字浮出水面:自2001年9月至2013年底,世界各地的美軍無人機共發生418起重大墜毀事故,幾乎相當于美空軍同一時期戰機發生的重大事故數量。然而,與美空軍相比,無人機的飛行任務及飛行時間卻少得多。

  根據對無人機或其他財產造成的損失程度,軍方將無人機重大事故分為兩類。在418起無人機重大事故中,194起屬于A類事故。A類事故定義為:造成無人機徹底摧毀,或根據現行標準,至少造成200萬美元損失。其中,A類事故一半以上發生在阿富汗和伊拉克,約四分之一發生在本土。這其中又有18起A類事故由于敏感程度高,軍方將墜毀國的名稱、事故過程等列為軍事機密,一直未向外公開。224起屬于B類事故。B類事故定義為:根據現行標準,造成損失介于50萬至200萬美元間。美國官方一直隱瞞這些事故的基本細節,如日期和地點等,理由是造成的損失較小,不值得大張旗鼓調查。

  其實,無人機墜毀的重大事故遠遠不止418起,因為軍方文件并不包括中情局暗中操作的無人機信息。中情局在海外擁有自己獨立的無人機機隊,包括約30架察打一體的“捕食者”、“收割者”無人機,以及非常先進的RQ-170“哨兵”無人偵察機,2011年12月被伊朗繳獲的那架RQ-170就隸屬中情局。

  美軍無人機墜毀地點也遍布各地,老百姓家中、農場、機場跑道、公路、水上等等。盡管在這幾百起重大事故中,并沒有人員死亡的報告,但其實很多人都是僥幸死里逃生,有人離墜落地點只有幾米遠,有人在飛機墜落的幾秒鐘前離開。2008年11月,無人機操作員理查德·瓦格曼在事故后接受調查時,心有余悸地稱,“放眼望去,看見的全是帳篷,我擔心殺了人。整個人都麻木了!”當時,他負責操作的一架“捕食者”突然失控,直直墜落在阿富汗一美軍基地。2009年9月,一架“收割者”失控后,在阿富汗上空漫無邊際地亂飛。在其快要接近塔吉克斯坦邊境時,美軍被迫采取最后手段,出動戰機將其擊落。2011年8月20日,一架在高空飛行的“捕食者”突然急速下墜,結果撞毀了兩幢阿富汗民房,并引起大火。報告稱,在阿富汗東部,掛載了“地獄火”導彈的“捕食者”在6個月內,曾兩次撞向賈拉拉巴德市附近的居民區。

  美國政府一直宣稱,無人機可在居民區上空安全飛行,就像客機一樣安全。面對頻頻墜落的無人機,這一觀點顯然站不住腳了。

 

事故原因五花八門

 

  造成無人機事故的原因多種多樣,機械故障、人為錯誤、惡劣天氣等不一而足。《華盛頓郵報》的事故報告分析認為,除去自然因素,無人機高事故率緣于軍方和無人機制造商在無人機操作和設計中存在的先天不足。

  首先是,無人機發現和避免故障的能力有限。盡管無人機都安裝有攝像頭和高科技傳感器,但這些儀器永遠無法完全取代坐在駕駛艙內的飛行員的眼睛、耳朵和鼻子。而且,大多數無人機沒有配備雷達或為了防止空中災難而設計的防撞擊系統。

  其次,無人機本身存在機械缺陷。一些常見的無人機機型,設計之初就缺乏安全方面的考慮,沒有經過反復測試,就匆匆派上戰場。墜毀的無人機最常見的是通用原子航空系統公司研制的“捕食者”,美空軍共采購了269架。其中,40%已在A類事故中墜毀,另有8%在B類事故中毀壞。這種機型特點是重量輕,價格低廉,每架不到400萬美元。“捕食者”沒有設計各種備用系統,只有一個引擎、一臺交流發電機、一個推進器,如果其中任何一部分發生故障,飛機都會掉下來。

  當然,通用原子航空系統公司并不這么認為。他們認為飛機的可靠性和安全性超出了預期,涉及“捕食者”的墜毀事故沒有一次是致命性的,也沒有造成人員死亡,進而他們將大多數事故歸咎于操作員著陸時操作失誤,稱公司已對飛機進行了安全升級,但增配引擎或動力系統是不切實際的,因為這需要對飛機進行大范圍的改裝。針對無人機發生故障,備份系統就會自動啟動這種說法,公司也予以否認。

 

 

影響無人機可靠性的環境因素和外部因素

 

      盡管人們習慣性地將可靠性問題歸因于系統內部因素(比如:零部件的可靠性),但外部因素對無人機的可靠性也產生相當大的影響。這些環境和外部因素往往是影響整個系統的可靠性,惡化系統中的任何一個零部件。而且,不管系統的使用年限長否,這些因素自始至終地影響著裝備系統。這些外部因素因地域或季節的不同而不同,比如與氣候有關的因素等。但是,如果嚴格按照系統的使用規范進行操作,可以大大減輕這些因素對可靠性的影響。

      1、降雨

     比起有人駕駛飛機來,多數無人機較易受降雨的影響。這主要有三個原因        (1)多數無人機尺寸相對較小

     (2)它們多利用木制螺旋槳

    (3)較少注意防水密封。

 

     由于無人機尺寸相對較小,所以它們更易受到降雨的不利影響。對 F-16 飛機造成輕微影響的降雨,對“先鋒”無人機可能就是中等程度的降雨。目前對無人機遭遇降雨還沒有很好的解決措施,只是遇到這種天氣情況時,避免起飛或著陸,或者降低飛行速度,以減少降雨的不利影響。

 

      尺寸較小的無人機多采用木制螺旋槳,以降低成本和減輕重量。“先鋒”無人機盡管采用推進式發動機,但其螺旋槳幾乎每次飛行都要更換。降雨尤其對木制螺旋槳造成危害,因為雨水能很快(幾分鐘內)侵蝕槳葉前緣,惡化轉子的氣動性能。解決此問題的措施是

     (1)采用復合材料螺旋槳

     (2)采用金屬材料螺旋槳

    (3)木制螺旋槳,但槳葉前緣采用復合材料或金屬材料。

 

選用復合材料螺旋槳成本較高,但重量較輕且堅固耐用。采用金屬材料螺旋槳成本較高,重量較重,但持久耐用,尤其適用于替換易損壞的木制槳葉。“先鋒”無人機的木制螺旋槳成本為 275 美元,其復合材料螺旋槳為 600 美元,金屬制螺旋槳則為750 美元,是木制的三倍。盡管它們成本不同,但作為無人機飛行關鍵元件來說,都是可以接受的。

無人機與有人機不同,機身上設計了大量的艙口蓋以利于維修人員進入機體內維修。而且尺寸較小的無人機飛行速度較低,這也就意味著設計人員不太注重機身的空氣動力特性。由于以上兩個原因,導致無人機艙口蓋密封效果不佳。遭遇降雨時,雨水可能會進入機體,對其內部電子設備造成危害。解決措施是除使用密封圈外,還要提高設計精度。

 

     2、結冰

      另一個影響可靠性的環境因素就是結冰,這種危害即使在晴好天氣也可能發生。機翼結冰對飛機飛行危害最大。一旦在機翼上形成結冰,隨后便會在控制面上結冰。積冰破壞了機翼流線外形,對飛機操縱性產生不利影響。當較大的積冰脫落時,會對螺旋槳造成危害。積冰達到一定限度,就會超過飛行控制系統的調控極限,從而破壞控制面鉸鏈的運動,極大地影響機翼外形和無人機操縱性。致使無人機進入失速狀態,直至墜毀。結冰除改變無人機空氣動力特性造成危害外,積冰的重量也能成為危害因素,特別是在小型無人機上,更是如此。比如,在“先鋒”無人機上 0.1 英寸的積冰造成的影響與波音 747 上 1 英寸積冰造成的危害相當。

      在過去的 3 年里,由于結冰事故導致損失了 2 架“獵人”和 3 架“捕食者”無人機,經濟損失達千萬美元。這些事故都發生在 9 月到 4 月之間。這提醒人們尤其要注意無人機在寒冷天氣的操作,包括無人機的試驗與評價、無人機操作人員在寒冷天氣中的培訓。

 

      3、風

      相比較有人機,風在總體上對無人機、尤其是小型無人機造成的影響也較大。這主要是由于它們的設計(比如操縱面面積、作動器響應頻率、飛行速度等)造成對環境(比如陣風、翼載等)響應不夠理想。這些影響因素中,一部分是小型無人機無法克服的,另一部分是設計者沒有將可靠性設計到系統中去。

      高的風速不但影響無人機的起飛和著陸,而且在飛行過程中易形成紊流。多數無人機,比起有人機來尺寸較小,飛行速度較低,更易受到紊流的影響。尺寸越小,受干擾程度就越大。對有人機影響輕微的天氣紊流,對無人機來說,甚至包括“捕食者”這樣的戰術無人機,就有可能造成視頻不穩、飛行不穩定、數據鏈丟失、失去控制等事故。對于無人機視頻不穩,可以考慮安裝穩定的成像傳感裝置。而對于不穩定飛行,則通過采用變距螺旋槳來解決。由于紊流造成的數據鏈丟失,則應用全向天線替代定向天線。利用回收降落傘系統可以減少由于失去控制所造成的無人機墜機事故。

 

      4、雷諾數

     注:

雷諾數是流體力學中表征粘性影響的相似準則數。為紀念O.雷諾而命名,記作Re。雷諾數,又稱雷諾準數,是用以判別粘性流體流動狀態的一個無因次數群。 

1883年英國人雷諾(O.Reynolds)觀察了流體在圓管內的流動,首先指出,流體的流動形態除了與流速(ω)有關外,還與管徑(d)、流體的粘度(μ)、流體的密度(ρ)這3個因素有關。

Re=ρvL/μ,ρ、μ為流體密度和動力粘性系數,v、L為流場的特征速度和特征長度。雷諾數物理上表示慣性力和粘性力量級的比。對外流問題,v、L一般取遠前方來流速度和物體主要尺寸(如機翼弦長或圓球直徑);內流問題則取通道內平均流速和通道直徑。兩個幾何相似流場的雷諾數相等,則對應微團的慣性力與粘性力之比相等。雷諾數較小時,粘滯力對流場的影響大于慣性,流場中流速的擾動會因粘滯力而衰減,流體流動穩定,為層流;反之,若雷諾數較大時,慣性對流場的影響大于粘滯力,流體流動較不穩定,流速的微小變化容易發展、增強,形成紊亂、不規則的紊流流場。

 

     無人機越小,其操縱面就相對較大,因為在不利壞境下要加強它們的操縱性。由于操縱面的操控要求隨雷諾數的不同而不同,所以,雷諾數是另一個值得考慮的外部因素。通過研究顯示,對于小型無人機,但卻在傳統上屬于大型飛機的飛行剖面(飛行高度或飛行速度)中飛行,那么它的可靠性較低。研究表明,系統工程技術和零部件的可靠性是造成無人機故障的主要因素,而與雷諾數相關的故障處于第二位。

      目前對無人機低雷諾數飛行狀態開展的研究不多。正如無人機有許多類別一樣,它們飛行時的飛行環境也各不相同。因此,必須對雷諾數的影響有更好的理解以便更深入地把握下列問題:

     (1)穩定和非穩定流的影響;

    (2)三維層流/湍流的轉換;

     (3)在包括無人機飛行剖面范圍內的雷諾數和馬赫數下的理想的翼型和機翼幾何尺寸。加大對低雷諾數發動機部件的投入也十分關鍵。低速或高空無人機的渦輪機面對的飛行環境不同于現代推進器傳統上所準備的環境。排熱、渦輪和壓縮機葉尖損失以及低動壓只是在這種低雷諾數條件下使小型推進系統性能降級的少數幾個因素。

 

無人機的可靠性設計

 

      無人機開發商,一般比較注重產品壽命周期的采辦階段。實際上,對于無人機的可靠性,應貫穿于其壽命周期的各個階段。從確定無人機的需求開始,經過概念設計、初步設計和詳細設計階段,一直到無人機的使用和退役,都與可靠性密切相關。大量的實踐說明,一個可靠的無人機系統不但要注重其系統性能,而且在概念設計階段就要注意可靠性、維修性的設計。

      如果在無人機設計階段,以犧牲其可靠性為代價,片面追求性能要求,就會導致無人機在外場使用中的許多問題,如任務成功率低、維修資源利用率高等。盡管一些方法(如失效模式與影響分析、概率風險評估、質量功能展開等)可用來解決這些問題,但如果在無人機壽命周期的早期運用這些工具,效果會更好。從飛行控制軟件的開發上可清楚地印證這一點。在壽命周期內,軟件錯誤出現的越早,糾正措施所需的代價就越低。

      為在控制成本的同時達到提高可靠性目的,以下原則在設計所有無人機子系統時必須予以考慮:

     ? 運用系統工程與設計實踐標準進行設計

      ? 設計力求簡單

      ? 加強預先診斷能力設計

     ? 確保材料和零件的可互換性

     ? 考慮人為因素(在制造、操作和維護中)對無人機的敏感性

     ? 基于故障模式與影響分析,運用冗余設計和故障安全保護設計手段

     ? 可生產性設計

     ? 優先使用已得到驗證的材料和零件

     ? 對材料和零件質量的維持和控制

 

      在無人機可靠性設計中,零部件的質量必須保證。對于一些復雜的零部件,開發商必須調查更多的因素和后勤問題,比如:零部件制造商的聲譽、零部件在其它領域的使用及性能狀況等。有時即使是個別零件的可靠性符合要求,但整個系統的可靠性卻達不到要求。

     可靠性的設計也必須考慮子系統和零部件的冗余問題。這對于飛行關鍵系統、可靠性低的零件更是如此。當然,這有可能增加產品成本,但是成本利益分析顯示,它可以減輕風險。如果現有的貨架產品技術達不到客戶要求,開發商就要尋求用于可行解決方案的新的零件技術。

 

      零件質量

      平均失效間隔時間(MTBF)是描述可靠性的一個重要參數。這是由于系統、子系統的MTBF 以及單個零件的 MTBF 對整個無人機的可靠性有著巨大的影響。這種影響可通過下圖看出,它反映了不同 MTBF 值的可靠性狀況。可靠性也是任務持續時間的函數,任務持續時間越長,可靠性就越低。MTBF 提高,就意味著失效率減小。下圖表示了失效率與任務持續時間的關系。

無人機可靠性知識大全(含故障影響因素、可靠性設計方法、可靠性測試項目)

      在一個具體的子系統內,元件一般集成使用。一個元件的失效會誘發整個系列的失效。因此元件的可靠性會影響到子系統的可靠性,進而影響無人機系統可靠性。下表表示了元件可靠性與系統可靠性的關系。可靠性的數值大小用“9”的個數表示。例如,一個系統可靠性為 99.99%,就是說可靠性為 4 個 9。

     如果一個零部件具有 99.999%的可靠性,一個子系統由 100 個此種零件組成,那么此系統的可靠性只有 99.9%。因此,有時即使是個別零件的可靠性符合要求,但整個系統的可靠性卻達不到要求。

無人機可靠性知識大全(含故障影響因素、可靠性設計方法、可靠性測試項目)

      冗余

      如果零部件可靠性不夠充分,則一般會采用冗余設計方法來提高整個系統的可靠性,但以增加系統復雜性、重量、體積、動力消耗和成本為代價。冗余方法在提高任務可靠性的同時,也會對后勤可靠性帶來不利影響。這是由于該方法要求有更多的備件儲備。冗余分工作冗余和備用冗余兩種。工作冗余是指所有冗余同時處于工作狀態;而備用冗余是指原來工作的冗余發生故障后,替代冗余才開始工作的情況。比如電傳操縱飛機的多余度飛行控制系統就是典型的工作冗余。下圖表示了冗余與失效率的關系。

      對于一個具體的系統,其 MTBF 在設計上雖然固定不變,但采用冗余方法后,失效率將發生變化。例如,對于一個無人機飛行控制系統,設計的 MTBF 為 50 小時,研發機構指定平均的任務持續時間為 11 小時,也就是說,每執行 5 個任務就會出現失效。如果采用雙余度設計,失效率降為 1/20。如果采用三余度設計,例 MQ-9 的飛行控制系統,失效率將大大降低,低于 1%。

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       新技術

      如果現有零件質量和冗余方法不能滿足系統任務可靠性問題,設計人員必須尋求新的零件技術來解決可靠性問題。例如:

      ? 形狀記憶合金的使用將較少或取消伺服和激勵裝置。

     ? 生物高分子材料將帶來抗疲勞、重量輕和強度高的機體結構。

      ? 自行修補復合材料將減少飛機在執行任務中出現的材料結構問題。

 

無人機常用的六大可靠性測試

 

01   高 低 溫 測 試    

 

     由于無人器作業的環境條件往往多變且復雜,而且每一款機器對于內部功耗發熱的控制能力有所區別,最終導致飛行器自身的硬件對于溫度的適應能有所不同,所以為了滿足更多或者特定條件下的作業需求,高低溫條件下的飛行測試是必須的。不能說,飛行器在南方飛沒有問題,但是帶到北方竟無法起飛,又或是無人機在溫度高或者溫度低的條件下儲存,飛行器竟出現了未知的故障等等,對于普通消費者來說,這樣的結果都是無法接受的。

 

02跌 落 測 試    

 

      跌落測試是目前絕大多數產品都需要做的一項常規測試,一方面是為了檢驗無人機產品的包裝是否能很好地保護好產品本身以確保運輸安全;另一方面其實就是飛行器的硬件可靠性,畢竟飛行器像常用的智能手機一樣,無法避免地會出現一些小磕小碰,或者甚至出現意外摔機的情況,良好且牢靠的硬件性能可以大大提升飛行器對于外界的抵御能力,將機器損壞降到最低,減少維護的時間和成本。

 

03GPS 搜 星 測 試    

 

      對于一款無人機飛行器來說, GPS模塊是一個非常基本的硬件需求,屬于飛行器控制系統的重要傳感器單元之一。不僅可以提供位置坐標及飛行速度等數據信息,同時,在功能上可以輔助實現精準懸停,航線規劃和自動返航等等眾多智能功能。所以,飛行器搜星的速度和數量對于無人機來說是非常重要的,速度太慢,你可能需要等很長的時間才敢起飛,星數太少或者不穩定,在飛行的過程中丟星其實也會影響到飛行操控和安全。

 

04振 動 測 試    

 

      無人機內部有很多的傳感器,比如IMU慣性測量單元,這些感知的數據如果因為振動受影響,最終的結果就是飛行器可能會“瘋”掉,完全不受控制;其次,內部硬件結構復雜,機身的一體化強度要求較高,如果振動導致硬件連接異常,螺絲或者模塊松懈等等,其實都是不能容忍的。同時,飛行器自身的振動會影響到飛行的穩定和航拍的效果。要知道,如果你經常外出,路上會受車輛顛簸振動的影響,起飛和降落不流暢或者經常磕磕碰碰也會受到振動的影響,所以飛行器對于振動的抵御能力不可忽略。

 

05按 鍵 測 試    

 

      無人機的遙控器上有控制搖桿和很多的功能按鍵,機身上也有對頻鍵,電池扣等等,這些按鍵隨著長期地頻繁使用都會出現老化和磨損,按鍵測試其實就是在最大使用強度下,測試這些按鍵是否能持續正常工作,抗老化的能力有多強,畢竟按鍵壞了,飛行控制和功能使用都會受到影響,客戶體驗不佳。

 

06線 路 彎 折 測 試    

 

       隨著無人機一體化的發展,很多的連線都被商場絞盡腦汁盡可能地設計減少了,但還是會不可避免地有一些模塊之間的連線,而這些線路會出現長期的彎折,所以必要的彎折測試以檢測模塊之間的連接可靠性非常重要,比如云臺一般在機身的下方,云臺的FPC排線一般肉眼可以看到,如果該排線損壞云臺將與機身斷連,無法工作;還有,一旦這些排線破損或者短路,也不能影響到無人機其它模塊的正常運作。

 

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來源:質量與可靠性學堂

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