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嵌入式控制系統設計

這應用章節討論了使飛機能夠飛行並相互通訊的整個系統。例如，在主要機場起降多架飛機是一項艱鉅的任務，需要許多子系統。整個飛行管理系統的主要功能是導航、飛行計劃和飛機控制。

完整的飛行管理系統中存在三個主要層次

空中交通管制

ATC 包含使飛機能夠直接相互通訊或透過控制塔通訊的所有內容。這一層對於建立全球協調系統來運輸人員或裝置至關重要。

飛行控制系統

FCS 是使一架飛機能夠起飛、保持在空中和著陸的整個系統。飛機的許多嵌入式控制系統都與該功能相關聯，並且是作為飛行控制系統的一個元件的一部分。

元件

每個元件在飛機中都有特定任務。它們中的大多數功能非常直接，易於描述為嵌入式系統。例如：開門機構、發動機控制、機上娛樂系統、整合模組化航空電子裝置 (IMA)、黑匣子，...

這本應用章節的目的是指出航空中不同系統層次的要求及其對設計的影響。還有許多指向其他網站的連結，提供有關詳細功能的資訊。

空中交通管制

在所有不同的系統級別中，ATC 是最高級別。這是一個特殊的級別，因為它不存在於其他應用中，如汽車，在汽車中，車輛之間沒有全球通訊。ATC 的主要目標是防止碰撞，這需要通訊和雷達系統。為了提供冗餘，大多數飛機都配備了TCAS（交通警報和防撞系統）。

討論

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飛行控制系統

介紹

飛機上有很多嵌入式控制系統。其中一個是飛行控制系統，它控制飛機的飛行軌跡和穩定性。該系統的執行機構是發動機以及主翼和尾翼的可移動裝置。它們由飛行員和飛機的嵌入式控制系統驅動。

存在不同型別的 FCS。它們根據控制的軸數進行分類。單軸 FCS 可防止飛機翻滾。雙軸 FCS 還提供了控制飛行方向的可能性。三軸 FCS 更加複雜，它提供了自動爬升和下降的能力。

上圖是飛行控制系統的示意圖。飛行控制系統 (FCS) 控制飛機的飛行軌跡和穩定性。該系統的執行機構是發動機以及主翼和尾翼的可移動裝置。它們由飛行員和飛機的嵌入式控制系統驅動。這包括穩定性控制、自動駕駛儀和發動機控制。控制輸出根據感測器輸入計算得出，例如導航系統、天氣雷達、速度測量、高度測量、發動機中的感測器等等。

設計

技術要求

飛機系統有一些在其他系統中沒有發現或不太關鍵的要求

重量

飛機使用堅固但輕巧的材料製造。航空業是第一個大規模使用鋁的行業，而現代材料，如碳纖維，正在開始進入該行業。重量要求也是從機械聯動系統發展到電傳操縱系統的理由之一。

安全性

材料質量必須高，航空材料屬性的變異度較小。儘管黑匣子在考慮單次飛行的安全性時毫無用處，但它在整個設計和維護過程中提供了至關重要的反饋迴圈。

可靠性（可靠性、可維護性、可用性）

為了提高可靠性，許多系統都採用冗餘設計。飛機也經常維護。可靠性在安全性方面非常重要，飛行控制系統必須始終可用，不像汽車，在那裡，簡單地停止是一個選項。

穩定性控制

大型飛機始終配備某種形式的自動駕駛儀。該控制系統可以以不同的方式工作。在大多數飛機中，控制系統是可選的，用於簡化飛行員的任務。其他飛機，通常是軍用飛機，需要控制系統，因為它們天生不穩定，沒有控制系統，人類無法控制它們。最近，穩定性控制也出現在汽車中，其中ABS和ESP等系統正在進入該行業。

其他更常見的要求是尺寸、響應時間、成本、能耗、噪聲控制、趣味性等（請參閱它們在汽車中的處理方式）。

法律法規要求

由於安全性高和可靠性要求高，飛機系統的監管非常嚴格。軟體（DO-178B）、硬體（DO-254）和網路（AFDX）設計都已標準化。因此，新飛機設計的認證以及隨之而來的紙質記錄非常複雜且耗時。整個程式可以在聯邦航空管理局網站上找到：http://www.faa.gov/licenses_certificates/ 不僅飛機，飛行員也面臨著很高的要求。飛行員的培訓、測試和認證程式也可以在該網站上找到。

最佳化

正如大家所想，系統設計有很多種可能性。此外，如何將這些設計的優勢結合起來，以滿足既定的要求，也是一項艱鉅的任務。由於額外的可靠性要求，必須保留一些備份系統，這使得一切更加複雜。飛機的設計，更具體地說，這種控制系統的設計，是一種迭代式設計。這一概念早在航空業的早期就已經出現。每架飛機都是迭代步驟的產物，目的是不斷地接近“理想”飛機。在早期，設計主要基於設計師的經驗，但隨著複雜性的增加，需要一種更加系統化的設計方法。在空中客車公司的以下論文中，可以找到這種計算機輔助設計方法的示例和討論。http://www.mip.ups-tlse.fr/publis/files/06.26.pdf

飛行員

飛行員與飛機系統互動，因此可以被視為飛行控制系統的一部分。

培訓

飛行員必須接受良好的培訓並具有豐富的經驗，以便能夠在發生意外情況或系統故障時做出適當的反應。飛機設計基於此假設，與汽車不同，汽車對飛行員的培訓要求遠遠低於飛機。

人機介面

為了實現飛行員與飛機系統之間的互動，飛機配備了人機介面 (HMI)。良好的HMI設計可以大大減少控制飛機所需的努力。

冗餘

在配備自動駕駛儀的大型飛機上，飛行員也可以被視為飛機的冗餘系統，以便在自動駕駛儀發生故障時駕駛飛機。即使是飛行員本身也可以互相替換。儘管他們被要求完成不同的任務，但所有飛行員都可以在緊急情況下駕駛飛機。在早期，控制一架飛機需要多達四名飛行員，現在大型飛機只需要兩名飛行員。

感測器

以下感測器通常由FCS使用。其主要目的是自主導航飛機。因此，使用了慣性導航系統。飛機具有六個獨立的自由度，三個旋轉自由度和三個平移自由度。如果它們都得到了測量，就可以導航和控制飛機。旋轉運動由三個陀螺儀測量。平移運動由加速度計測量。由於飛機的旋轉運動，有必要將加速度計放置在與地球表面平行的框架上。這透過陀螺儀的測量來實現。在軍用飛機中，所有測量都是由加速度計進行的。這些加速度計固定在飛機上。其中三個用於測量角加速度。透過積分，可以計算出角度（橫滾角、俯仰角和偏航角），並用於推匯出由其他加速度計測量的平移。

控制系統

自動駕駛儀是一個系統，其作用是減輕飛行員的工作量。在長途飛行後，飛行員必須保持高度集中，才能安全著陸。在大型飛機上使用控制系統的另一個原因是，這些飛機的控制面需要較大的控制力，這是人類飛行員無法提供的。此外，需要注意的是，計算機控制系統更加精確。

感測器會根據飛機的飛行方向產生訊號。控制系統會將此資訊與所需方向進行比較。如果兩者之間存在差異，它將透過控制執行器來糾正當前狀況。在更先進的三軸系統中，使用的訊號比一軸系統更多。控制系統將控制飛機所需的姿態和飛機所需的航線（方向和高度）。一些飛機，尤其是軍用戰鬥機，被設計為不穩定飛行。這意味著升力中心位於重心之前。在這種情況下，從平衡狀態的輕微偏轉會導致飛機變得不穩定並失去控制。這種行為在軍用戰鬥機中是可取的，因為它可以進行短距離轉彎並快速反應。在不穩定飛機飛行時，響應時間確實會更快。因為人類無法控制這種飛機，所以控制系統對於保持飛機虛擬穩定性非常重要。

控制系統的可靠性要求

現在解釋一個重要的方面，可靠性要求。這適用於任何以可靠性要求為重的嵌入式控制系統。控制系統的設計是一個迭代過程。許多系統已經過使用和替換，如今，電傳操縱系統是一個熱門話題。關於設計標準，特別是可靠性要求，設計師選擇使用兩臺相同的計算機進行飛行控制（見圖）。現在尚不清楚軟體的具體實現，但可以提出一些問題。

如何知道哪臺計算機的哪個訊號是正確的訊號？
如果一臺計算機發生故障怎麼辦？
冗餘性足夠嗎？

也許可以對這種配置進行一些修改。第一種可能的配置使用兩臺計算機。使用不同的演算法，由不同的公司分別開發，可能是有用的。但這些不同的演算法執行相同的計算。結果可以進行比較，並可以對一個最終輸出訊號進行投票。另一種可能性是增加計算機數量。如今，最多可以使用 5 臺計算機。

電傳操縱

為了解釋為什麼人們追求全電傳操縱，本文簡要概述了早期和現在的系統。基本上，飛行員的操作包括移動操縱桿。操縱桿可以與可移動的機翼裝置直接耦合，可以採用伺服機構，也可以測量飛行員的動作並生成電訊號。飛行員與可移動機翼裝置之間的直接機械耦合被移除。這就是電傳操縱。電傳操縱的優缺點。

(+) 飛機的大小或天氣條件無關緊要。飛行員需要施加的力可以得到完美的控制。
(+) 使用觸覺介面，可以將所有飛機的“感覺”泛化。這可以減少所需的飛行員培訓或經驗，從而降低“飛行員”部件的成本。
(+) 飛行員的動作可以與感測器輸出一起作為電訊號進行處理，以便獲得最佳控制，這可以提高安全性、降低能耗，併為乘客帶來愉悅的飛行體驗。
(+) 電氣系統重量更輕。
(-) 由於飛行員與執行器之間的直接耦合消失了，並且系統更加複雜，因此訊號處理或傳輸元件之一的故障可能是致命的。必須高度重視可靠性。
(-) 由於電氣系統完全依賴於電力，因此電力故障是致命的。

架構

電傳操縱系統的另一個方面是所使用的架構。在“航空電子學原理”（見參考文獻）中，對不同可能的架構的命名與本書中的命名不同。將給出兩種名稱。

集中式架構 -- 集中式硬體/集中式軟體

一臺計算機用於，比如，也許 10 個子系統。由於所有硬體都集中在一起，因此可以很好地控制環境。維護這些系統也很容易。
如果要滿足可靠性要求，可以使用三臺計算機，這仍然比 10 個子系統使用 10 臺計算機少。
所有計算都集中在一起，因此必須在很長的距離內傳輸模擬感測器訊號，這使得它們對噪聲敏感。

分散式架構 -- 分散式硬體/分散式軟體

計算在感測器中進行。僅傳輸結果。
沒有中央系統，因此子系統必須能夠相互通訊。
如果每個感測器都有自己的校準軟體，那麼更換感測器就很容易，因為不需要對中央系統進行任何修改。

聯邦架構 - 分散式硬體/集中式軟體

它是集中式和分散式架構之間的折衷方案。
與分散式硬體相比，子系統數量較少，但比集中式硬體多。
由於整個系統被劃分為功能塊，例如發動機控制系統和通訊系統，因此一個功能塊的故障不會影響其他功能塊。

有關電傳操縱的更多資訊已在維基百科中的 Aircraft flight control systems 中廣泛介紹。

執行機構

飛機的控制面由伺服電機驅動。在執行機構鏈的設計中，以下內容很重要。如果伺服電機發生故障，系統應回退到手動控制。否則，飛行員將失去對整個飛機的控制。在大型飛機中，控制面始終由電機操縱。作用在這些飛機上的力對人類來說太大了，無法承受。但仍然存在機械連線。該系統被稱為“伺服輔助”。在更先進的飛機中，使用了“電傳操縱”系統。在這裡，不再存在機械連線，飛機完全由伺服電機控制。飛行員只使用一個小側杆，它產生控制訊號。

討論

由於其長度和與系統級描述的飛行控制系統相關性，關於應用於波音 737 的飛行控制系統的示例已刪除。

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元件

飛機中存在許多嵌入式控制系統，這些系統處於元件級別。下面將詳細解釋一些更有趣的系統。

黑匣子

FDR（飛行資料記錄器）或黑匣子是飛機系統中一種特殊的元件，它與飛機系統互動的方式。它旨在記錄特定的飛機資料，通常用於事故調查。設計要符合國際公認的標準。上述連結中描述了這些要求和設計。

討論

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整合模組化航空電子

IMA 代表標準化的計算機網路系統，簡化了航空電子軟體的開發。它是一種概念，它提出了一種整合的系統架構，類似於汽車應用中的 AUTOSAR 架構。除了簡化軟體開發外，它還簡化了硬體和軟體的整合和維護。

討論

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參考資料

Christophe BAUER、Kristen LAGADEC†、Christian BES 和 Marcel MONGEAU§ 為電傳操縱客機最佳化的飛行控制系統架構。
J. R. Sklaroff 編著的《太空梭計算機冗餘管理技術》。
Albert Helfrick 編著的《航空電子學原理》

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