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道路空-地图像探测控制器可靠性增长设计

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资料介绍

可靠性历来是航空航天领域关注的焦点之一,可靠性增长是产品设计过程中不断完善的迭代过程,但大多工作都局限于概念或顶层框架的研究,未涉及具体工程实现.以道路空——地图像探测控制器可靠性增长设计为背景,提出了一种基于电路优化的可靠性增长综合设计方法.通过分析控制器硬件电路结构,建立了可靠性结构模型与数学模型,根据模型分析结论对控制器基本可靠度较低的D/A结构驱动电路进行了优化,设计了一种基于动态可编程电压比较器的新型驱动电路.通过可靠性评估,优化后控制器的基本可靠性理论上增长了33.2％.进一步的环境应力筛选等可靠性验证试验表明:通过可靠性增长设计后,控制器不仅满足了系统功能与性能指标及可靠性要求,而且体积、重量、成本等综合性能也得到了提高.

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2016年6月

2016

西北工大学学

June

of Northwestem

Joumal

第34卷第3期

V01．34 No．3

Pol”echnical University

道路空一地像探控制器可靠性增

晨，胡永

(西北工大学，西西安710072)

摘要：可靠性来是航空航天域关注的焦点之一，可靠性增

程，但大多工作都局限于概念或框架的研究，未涉及具体工程

控制器可靠性增背景，提出了一种基于化的可靠性增

构，建立了可靠性构模型与数学模型，根据模型分析

行了化，了一种基于

是

品

程中不断完善的迭代

。以道路空— — 地像探

方法。通分析控

路

合

制器硬件

的D／A

路

控制器基本可靠度

低

可

构

路

可

程

比

器的新型

路。通

靠性估，化后控制器的基本可靠性理上增了33．2％。一步的

表明：通可靠性增后，控制器不

重量、成本等合性能也得到了提高。

境

力

等可靠性

足了系功能与性能指及可靠性要求，而且体

、

关

中

：控制器；可靠性；可靠性增分析；可靠性

号：TN41，rrP33 文献：A 文章号：1000— 2758(2016)03．0399— 05

分

志

与地一地像探相比，空一地像探具有探

广、无需考地面遮、响速度快、探

如

1所示，控制器共分 4个元，分

CPU 元、元、元和供

其中CPu 元的作用是接收外部指令，

数字平控制量；元的功能是将CPU

成控制象可以的控制

是

范

平

元。

出

后

果准确性高的

。而安装在道路探型无人机上

元

的

像探控制器担着控制像探的各种

出的控制量

平

；

功能，不

保

地面道路情况准确采集，同

能保

元将外部的准Rs232 平

的TTL 平；供元将机 +12

障有效源的合理利用，所以道路空一地像探

控制器在无人机系中具有非常重要的地位。由于

CPu可

各

元所需

控制器具体工作

。

型无人机重不超 10 kg，因此控制器的体

mm×85 mm×20

要

程

外部控制指令

人cPu 元，完成

被控

平

出

求不超 65

的同

可靠性不足要求，因此必

¨1以足小型化与高可靠性指要求。

小型化并非的功能集成与减小体

量，其关是确保完成各功能与性能指

mm。目前用于无人机

元的

后

机

品

能

足功能需求，但体重量与

行可靠性增

控制平，

后

像机源、焦距、光

其

圈、

器等行控制。

，照相机源、快和机天与功率放大

重

的

技

控制器

被控

象

一一一

像机}

照相机!

功放I

前提下提高控制器的可靠性。

控制

— J＼

控制

入

—

出

爿羹鞣H裂H }二

天

⋯ -J

1控制器路构

供

元

根据控制器可靠性建模流程，首先控制器

路

构

行分析。

1控制器

路构

收稿日期：2015— 09．16

基金目：国家自然科学基金(61134004)

助

作者介：晨(1991一)，西北工大学士研究生，主要从事信息工程与控制的研究。

万方数据

第34卷

西北工大学学

可靠性增

的方法。

2控制器可靠性建模

3控制器可靠性增

控制器

路

构，下面建立控制可靠性

3．1可靠性增

根据

元中找出具有化空的元路

分析

构与构模型，需在控制器4个

行可靠性增

构模型和数学模型。

路

2．1控制器串模型

上述

路

构与工作程表明，然控制器各

。

4个

平

元

路分析如下：

元：只有一个ADM202E

元相互独立，但其工作程是密相的，而且控

平

制器各功能模不存在冗余

，即其中任一

元

芯片与其外适配路，没有化空

；

出

故障控制器均不能正常工作，然可靠性模

型属于串模型。

· cPu 元：

用系旧j 的，

元是基于8051 片机最小

最

的

路

成，没有

合

串

1与串模型定，控制器可靠性

模型，如 2所示。

构

化空

；

模型

· 供

+12V

定+5

元：第一

+5V

性

模

LM7805将

机

将

，第二

±12

模

r11SH0512D

，没有化

2控制器串模型

构

空

；

元

路：芯片数量多，占用控制器体

2．2数学模型

式中：尺，(￡)

重量比例大，以控制zoom

路

例，如

根据可靠性理

串

模型其

数学模型

3a)所示，

。

元具有化空，可行可靠性增

(1)

尺，(￡)=兀尺。(￡)

然，采用减少控制器元数量的方法是不可

系

可靠度；R(f)

元数。

2可知，控制器由4个

元可靠度；凡

行的。在其余3个元可靠度无法提高的情况下，

成系

由

的

只能通提高

性”J，也就是

元可靠度提高系整体可靠

元

成，所以凡=

元

路行化。

4，即道路空一地像探控制器的可靠性数学模

3．2

元

路化

型

3a)所示，

有

品zoom

元路，

(2)

R；(￡)=nR。(f)

k。当片机收到控制

中尺。=R。=15 k，R。=7．5

zoom指令，通 P0口 D／A的数据 DO～D7

写人数字量行D／A ：当地址0xxxH(P2．

7)写人FFH ，K 出 +5 V(zoom out)；写入

7FH ，K 出 O V(Zoom

根据控制器的工作程，当控制器上工作

，

各个元同

器整体工作

启

工作，每个元工作

与控制

相同，且每个元的工作寿命服从

stop)；写入00H ，K

指数分布，因此控制器可靠性数学模型可表示

出

一5 V(Zoom in)。

3a)中，

(3)

元

尺。(￡)=兀尺i(￡)=e

‘

像机一种控制功能的

‘2

路用了1片D／A，2个运算放大器，那么，3种控制功

能共需要3片D／A，6个运算放大器，即2片四

运放。

式中：A；=∑A。；A。

系故障率(1几)；A。

故障率(1／^)。

根据(2)式分析可得，控制器可靠度各个

元可靠度的乘，系可靠性与串元数量多少

有关，即串元数越多，可靠度越低。也就是要么

减少元数量提高控制器可靠度，要么提高各

可靠度从而提高控制器可靠度。控制器

分析，求一种适合于控制器

通

像机使用

明

，像机控制

V、O V、+5

量

一5

3种状

，无中

，然浪

性

化。所以用D／A

源，此考采用一种数字开关量

控制的方法。

由于运算放大器搭建的器的重要用途

器

元

3种功能三

必

各

元

路

行

比

万方数据

第3期

晨，等：道路空一地像探控制器可靠性增

道4 K，其果 0 V、+5 V、一5 V、0V。

比表l与 4，二者完全合。也就是比

适合zoom需要的三控制量即可

，用片机的2个L／0端口

程：分出00H、01H、10H 3种

器

人

足

要求。

入端屹、K

比

器

行

状

，即可得到O V、+5 V、一5 V的3种

控

制量。

化前

自

片机I／o r-吃

L。％

化后

zoom

路原理

之一就是作

模

路与数字路的匹配路，因

一功能。

此

化方法采用

比器

可

程

比

器仿真

果

片机出控制平只有ⅣL 2种形式(+5

V、0

V)，所以无哪种平作基准

，都只能

像机一种功能

比器的基准

然，化后的可

像机zoom的三

像机其他功能Focus(焦距)和Aperture(光圈)

均可采用此

程

比

器

路完

出2种控制信号，不能

全能

足

控制要求，那

的三控制，因此，可以把

么

的

化的

的高／低(肜L)

基准

，即利用片机的L／O口

基准程，从而

思路如 3b)所

出

路

。

平

行

的

化控制。具体

4可靠性估与

k。

示，中尺1=R2=尺3=R4=10

将

3b)中各

阻

代入

比

器

入／

4．1可靠性增

估

出

得

之的关系式(4)中

比

路

化前 3a)和化后 3b)，

在芯片数量上，1路控制功能减少了1片D／A

芯片，3路控制功能减少了3片D／A 芯片，同

构也得到了化，印制路板省了体

足了控制器体要求。

卜弦(· + )熹K㈩

入／

出

关系如表1所示。

路

表l

Ⅳ

出

比

关系

空

，

由于是道路空一地像探控制器行改

，所以只能采用元器件数法 2种

路

的可靠性行分析比，依据可靠性理，基本可靠

性表示

㈣

MⅢ=忐

一步

入／

4中，通道1、2分

3b)中

路

行仿真，用仿真示波

果如 4所示。

K、K，其中K 入的

式中：MTBF

式中：A嬲

系

的平均无故障

H^o

器

察

出

(6)

Gs=∑Ⅳ。AGi7rq

激励

V、0 V、+5 V、+5 V(

平

L、L、

系

的

失效率；Aa 第i种元器件的

V、+5 V、

H、H)的周期信号；K 入的激励

通用失效率；仃。。第i种元器件的通用量系数；M

V、+5 V(

平 L、H、L、H)的周期信号；通

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