无人机飞行控制系统软件故障注入方法研究

（91404摘要：本文介绍了应用软件故障注入技术实现无人机飞行控制系统可靠性的评测方法。通过在无人机飞行控制计算机的外部数据总线上截获飞行参数，模拟无人机系统的硬件故障，构建故障模型并实现故障注入过程。实际应用表明该系统可以有效评估无人机飞行控制系统的故障检测、系统可靠性和容错能力。中图分类号：TP311.52文献标志码：AforflightcontrolsystemofUAVYAN(No.91404Unit,CPLA,QinhuangdaoAbstract:Inthisarticle,thesoftware-basedfaultinjectiontechnologyisintroducedtoimplementareliabilityevaluationmethodforUAVflightcontrolsystem.ThesystemcanblockandacquitflightdataformexternaldatabusofUAVflightcontrolcomputertosimulatehardwarefaultofUAV.Basedonthisflightdata,faultmodelisbuiltandfaultinjectionprocessisaccomplishedasaresult.Thesystemhasbeensuccessfullyemployedtoverifythefaultdetection,faulttoleranceandreliabilityofUAVflightcontrolsystem.Keywords:UnmannedAerialVehicles;flightcontrolsystem;faultinjection;faulttolerance飞行控制系统是无人机的核心分系统之一，采用先进的实时管理、导航和飞行控制技术，使无人机完成各种预定的战术和技术任务。飞行控制系统以其复杂性，使人们越来越关注其可靠性，通常需要在降低目标系统的危险系数的前提下，以较低成本注入各种类型故障进行单元测试。本文引入软件故障注入技术，通过在无人机系统的外部数据总线上阻断并采集飞行参数，模拟无人机系统的硬件故障，构造了一个实际的无人机故障注入系统，考察无人机故障检测和系统容错能力，测试其可靠性。

软件故障注入]的方法有意识地产生故障并施加于运行特定工作负载的目标系统中，以加速该系统的错误和失效的发生，同时观测和回收系统对所注故障的反应信息，并对回收信息进行分析，从而向试验者提供有关结果的试验过程。软件故障注入提供了低价和方便操作的故障注入方法，对目标系统的硬件环境没有损坏，可以根据程序指令方便地选择故障的注入位置，能够方便地跟踪目标程序的执行和回收数据。赵仁恺.执行主席报告[A].第144次香山科学会议《复杂社会技术系统的安全控制》论文集[].2000:1-6.译本)[M]杨孟琢.核电人因工程领域的发展[J].中国工程科学2006JohnMO'HaraandDominiquePirus.InformationDisplay:ConsiderationsforDesigningModernComputer-BasedDisplaySystem[R]PaloAlto:2003.JohnMO'Haraetal.BNL-NUREG-79947HumanFactorConsiderationinNewandAdvancedNPPs[R].NewYork:2008.EJ562.核安全有关的操纵员动作时间响应设计准则[S

HAFJ0055.核电站控制室设计的人因工程原则[S].国家核安全1995.GB13630.核电站控制室的设计[S]..北京作者简介:倪莹(1979-)女建造师从事室内环境设计及研究胡立生教授从事核电人机接口设计及研究谷鹏飞男工学硕士从事核电人因工程及人机接口设计张建波男高级工程师从事核电人因工程及人机接口为了研究飞行控制计算机与机载设备通信的数据故障时飞行控制软件的容错控制能力，本文采用目标系统真实故障的三个属性值来唯一表征一个故障实例[2]，即故障类型、故障位置和故障激活方式。故障类型。根据正常飞行控制计算机通信数据的时间特性，可将故障分为连续量故障、开关量故障和通讯量故障。故障位置。指故障实例在目标系统中对应的真实位置。本文研究的是飞行控制系统的通信总线上各个铰链设备发生故障时，无人机的容错能力和可靠性问题，因此故障实例的位置级别定位于通信总线上的铰链设备故障。故障激活方式。根据持续故障时间，可以将故障分为瞬时故障、永久性故障和间歇性故障。它们的区别在于对目标系统的影响能力。例如，某个故障在对目标系统产生影响之前就已经恢复，该故障称为瞬时故障，否则称为永久故障。连续发生的瞬时故障称为间歇故障。本文研究的无人机飞行控制系统（又称目标系统由飞行控制计算机和一些相关的机载设备组成，主要的部件可分为飞行控制计算机、机载传感器、舵机控制器和执行机构四个子系统。飞行控制软件安装于飞行控制计算机，采用了Rt-Linux实时多任务操作平台。飞行控制计算机作为控制中枢，安装飞行控制软件，与机载传感器、舵机控制器和执行机构等机载设备之间采用RS232、ARINC429等标准总线进行通信。因此，可以在通信总线上截获飞行参数，并引至故障注入系统，然后在故障注入系统中用软件模拟机载设备故障，再送至目标系统]。无人机飞行控制系统软件故障注入系统原理如图1所示。控制系统的通讯信号及数字、模拟信号，并将注入故障后的各类信号实时输入到飞行控制系统中。

注入故障。根据用户要求，灵活确定故障激活方式，并且可在特定的故障位置上注入规定数量的故障。用户可实时监视故障注入情况。保存与分析试验结果。能够以文件形式，保存试验结果和数据，并向测试人员提供多种数据分析方法来测评飞行控制系统的各项性能指标。形成故障实例。按照需要注入的故障模型，确定对应的故障位置、故障类型和故障激活方式等故障属性。再对故障和故障属性进行匹配，就形成故障注入实例。执行故障注入。在数据总线上，采用软件故障注入方法，按照故障注入实例的属性值，将预定的故障注入到目标系统中去。观察故障响应。通过分析飞行参数，判读无人机飞行状态，监测故障实例在目标系统中的失效递进关系和传播过程。在目标系统中，外部数据总线上传递的信息是多种多样的，软件故障注入系统在目标系统的原数据通道中对所有的这些信息进行分门别类的处理，实现数据采集、故障注入和数据输出。根据各分系统与飞行控制计算机之间的通讯数据表示的实际物理含义进行分类，分别对通讯量故障、连续量故障和开关量故障进行模拟飞行控制系统的硬件功能模块故障。在Linux系统中，串口是终端设备，也就有了终端设备的公共属性。在使用串口前，先打开串口对其进行一系列的设置，把设置写到设备驱动中去，再进行串口通讯。ARINC429总线[6]是专为航空电子系统通信规定的航空工业标准，是目前最常用的通信总线。利用ARNC429通信模拟量和数字量通道只要选择一个合适的时间间隔对信号进行采样即可。根据软件故障注入系统的特性，每对目标系统进行一次数据采集，经数据故障处理后再输出到目标系统中去。可采用硬件定时器实现定时时间隔为ms对中断事件的处理方法是“事件消息”，即当定时器的中断事件发生时执行某一种特定的回调函数，这种方法的执行过程对CPU的占用率低。 EICVol.202013No.3t[]来描述。无人机中各硬件设备的输入和输出都有一定的范围要求，短路和断路表示连续量共有7个飞行参数在数据通道中传递。为能够对所有L[]中给各个飞行参数分配一个确定的位置，如：ees_B0它表示注入故障的开始和停止时间。用数组shortAct_CB[]来描述，当act_CB[h_PAR]赋值为0、1、2时，分别表示为瞬时故障、间歇故障、永久故障。以上故障可由用户手动触发。采用动态注入故障方法，在目标系统运行期间，通过自动触发机制或人工注入故障，使采集的数据或程序执行的指令发生变化。采用两台计算机进行服务器与客户端通信，以事件标志]进行以太网连接，其中一台计算机作为宿主机，同时起到控制平台作用（实现数据采集、故障设置、故障注入、结果分析等功能）；图2动态故障注入流程表1故障注入试验结果统计1234信号为5从测试的结果可以看到：软件故障注入系统能够根

本文针对无人机飞行控制系统复杂性强、可靠性高的特点，应用了容错计算机系统的软件故障注入技术，设计了一个实用的无人机故障注入系统。系统通过在无人机飞行控制系统的通信总线上截断并采集飞行参数，并以软件方式模拟飞行控制系统的硬件故障，监测无人机飞行控制系统在寿命试验中的失效递进和传播过程。课题将软件故障注入技术应用到无人机系统测试中，能较好地考察无人机飞行控制系统的故障检测、系统可靠性和故障容错能力，并以较低成本实现了硬件故障注入，降低了故障注入的实施难度和对目标系统的危险系数，是无人机飞行控制系统性能评估的经济有效手段。□徐晓璐.基于故障注入的嵌入式系统测试研究[D学2008:14-南京:南京航空航天大学2007:5-李伯成.嵌入式系统可靠性设计[M].电子工业出版社2006:35-机2