飛行汽車這一曾經(jīng)只存在于科幻小說中的概念，正逐漸走進(jìn)我們的現(xiàn)實(shí)生活。然而，飛行汽車的安全性始終是公眾關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是在其關(guān)鍵部件——多旋翼系統(tǒng)可能出現(xiàn)失效的情況下。本文將探討多旋翼失效的原因、解決方案，以及冗余設(shè)計(jì)如何成為飛行汽車的安全底線。

多旋翼失效怎么辦？冗余設(shè)計(jì)如何成為飛行汽車的安全底線(圖1)


一、多旋翼失效的原因及影響

多旋翼飛行器的關(guān)鍵部件——螺旋槳和電機(jī)，在實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)受到各種外界環(huán)境的影響，例如高溫、風(fēng)沙、日曬、雨水、腐蝕、碰撞等，突發(fā)故障時(shí)有發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致飛行器失控墜機(jī)。四旋翼飛行器的任一旋翼失效，將直接導(dǎo)致飛行器受力不平衡，無法保持安全飛行姿態(tài)。隨著無人機(jī)的廣泛應(yīng)用，失控墜機(jī)危及人民群眾財(cái)產(chǎn)和安全的事件也時(shí)有發(fā)生，由于四旋翼飛行器的旋翼不存在冗余，這種威脅更顯得尤為突出

二、多旋翼失效的解決方案

（一）容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)

容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)是一種重要的手段，它不需要對四旋翼飛行器進(jìn)行硬件上的調(diào)整，僅僅依靠控制設(shè)計(jì)便可提高四旋翼飛行器的安全性和容錯(cuò)性,在容錯(cuò)控制的應(yīng)用中，需要設(shè)計(jì)算法，完成檢測故障、定位故障和程度、根據(jù)故障進(jìn)行控制重構(gòu)三個(gè)步驟 北航科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種統(tǒng)一的被動(dòng)容災(zāi)控制算法，該算法可以在不依賴故障檢測、故障診斷的情況下，自主地實(shí)現(xiàn)不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障下的容錯(cuò)控制，避免飛行器墜機(jī)。這種控制方法對故障信息依賴性小，不依賴旋翼的故障檢測與診斷結(jié)果就可發(fā)揮作用，也不依賴于具體的故障信息  通過引入期望旋翼推力的反饋從而實(shí)現(xiàn)部分集總擾動(dòng)的補(bǔ)償，保證了具有多個(gè)旋翼故障的四旋翼飛行器的穩(wěn)定性

（二）冗余設(shè)計(jì)

冗余設(shè)計(jì)是指通過多重備份機(jī)制來確保即使某個(gè)部件或系統(tǒng)發(fā)生故障，整體系統(tǒng)仍然能夠維持正常運(yùn)行或達(dá)到安全狀態(tài)。在飛行汽車領(lǐng)域，冗余設(shè)計(jì)尤為重要，因?yàn)樗梢詾轱w行汽車提供多重安全保障，確保在關(guān)鍵部件失效時(shí)仍能安全運(yùn)行。

三、飛行汽車中的冗余設(shè)計(jì)

（一）動(dòng)力系統(tǒng)冗余

小鵬匯天的飛行汽車在動(dòng)力系統(tǒng)方面采用分布式動(dòng)力布局、三冗余低壓供電設(shè)計(jì)，降低了空中斷電等風(fēng)險(xiǎn)，即使部分部件出現(xiàn)故障，仍然可以依靠其他備份系統(tǒng)安全降落。例如，其采用雙獨(dú)立電池包設(shè)計(jì)，即使其中一個(gè)電池包失效，另一個(gè)電池包也可繼續(xù)供電。如果其中一個(gè)電池包發(fā)生熱失控，通過電池包的泄壓設(shè)計(jì)，將能量釋放到機(jī)外，只冒煙不起火，不擴(kuò)散至另一個(gè)電池包，確保機(jī)上人員安全。

（二）飛行控制系統(tǒng)冗余

飛行汽車的飛行控制系統(tǒng)采用三余度異構(gòu)冗余設(shè)計(jì)，通過不同結(jié)構(gòu)的硬件和軟件減少單一故障模式的影響，提升整體安全性。例如，億航智能的飛行汽車中，多個(gè)飛控系統(tǒng)之間相互備份，一旦主飛控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可以迅速切換到備用飛控系統(tǒng)，保證飛行姿態(tài)的穩(wěn)定控制。

（三）通信系統(tǒng)冗余

飛行汽車的關(guān)鍵系統(tǒng)如飛控、導(dǎo)航、電驅(qū)、電池能量管理、飛行操控系統(tǒng)等均采用雙路通信，即使單路失效，另一路仍可保證飛行安全。這種雙冗余通信線路的設(shè)計(jì)，確保了飛行汽車在通信鏈路出現(xiàn)故障時(shí)仍能正常運(yùn)行。

（四）電氣系統(tǒng)冗余

飛行汽車的電氣系統(tǒng)采用雙路供電設(shè)計(jì)，高壓和低壓均采用雙路供電，任意單條線路、電器元件發(fā)生短路、斷路或其他故障后，不影響整機(jī)飛行安全。這種雙冗余供電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了飛行汽車的電氣系統(tǒng)的可靠性。

（五）操控系統(tǒng)冗余

飛行汽車的操控系統(tǒng)也采用了冗余設(shè)計(jì)。例如，小鵬匯天的飛行汽車首創(chuàng)飛行器單桿操縱系統(tǒng)，摒棄傳統(tǒng)固定翼和直升機(jī)復(fù)雜的雙手雙腳操控方式。如果主操縱桿失效，還可通過備份操縱器件控制飛行器。

四、冗余設(shè)計(jì)的優(yōu)勢

（一）提高安全性

冗余設(shè)計(jì)通過多重備份機(jī)制，確保即使某個(gè)部件或系統(tǒng)發(fā)生故障，整體系統(tǒng)仍然能夠維持正常運(yùn)行或達(dá)到安全狀態(tài)。在飛行汽車中，這種設(shè)計(jì)可以顯著提高飛行的安全性，降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

（二）增強(qiáng)可靠性

冗余設(shè)計(jì)可以增強(qiáng)飛行汽車的可靠性，使其在面對各種復(fù)雜環(huán)境和突發(fā)情況時(shí)仍能正常運(yùn)行。例如，即使在部分旋翼失效的情況下，飛行汽車仍能依靠其他備份系統(tǒng)安全降落。

（三）簡化設(shè)計(jì)

通過采用冗余設(shè)計(jì)，飛行汽車的設(shè)計(jì)可以更加簡潔，減少了對單一系統(tǒng)的依賴。例如，北航科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的統(tǒng)一被動(dòng)容災(zāi)控制算法，可以使用完全相同的控制器來實(shí)現(xiàn)對正常及不同故障的四旋翼飛行器的控制，簡化了控制器設(shè)計(jì)過程。

五、冗余設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

盡管冗余設(shè)計(jì)可以顯著提高飛行汽車的安全性和可靠性，但在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)。例如，冗余設(shè)計(jì)會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。此外，冗余系統(tǒng)的管理和維護(hù)也需要更高的技術(shù)水平。因此，在設(shè)計(jì)飛行汽車時(shí)，需要在安全性和成本之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

六、未來展望

隨著科技的不斷進(jìn)步，飛行汽車的冗余設(shè)計(jì)將不斷完善。例如，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)測故障，進(jìn)一步提高飛行汽車的安全性和可靠性。此外，新材料和新工藝的應(yīng)用也將為飛行汽車的冗余設(shè)計(jì)提供更多的可能性。

七、結(jié)論

多旋翼失效是飛行汽車面臨的一個(gè)重要問題，但通過容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)和冗余設(shè)計(jì)，可以有效解決這一問題。冗余設(shè)計(jì)通過多重備份機(jī)制，確保即使某個(gè)部件或系統(tǒng)發(fā)生故障，整體系統(tǒng)仍然能夠維持正常運(yùn)行或達(dá)到安全狀態(tài)，成為飛行汽車的安全底線

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