Расчет показателей надежности

Всероссийская олимпиада школьников

«Шаг в будущее, Космонавтика»

 

Повышение надежности

Вычислительного модуля

На базе микроконтроллеров

Для корректировки орбиты

Микро спутника

 

Автор: Бычков Дмитрий Вячеславович, лицей г. Климовска, 11А

 

Научный руководитель: Бычков А.В., аспирант СМ-5

 

Москва

2014 г.

 

 

Введение. 3

Основная часть. 4

Анализ путей повышения надежности. 4

Описание системы.. 6

Сбор данных телеметрии. 7

Варианты состояния телеметрии: 7

Связь между модулями. 8

Работа с датчиками. 9

Связь с исполнителем.. 9

Расчет показателей надежности. 10

Надежность 2 уровня (датчиков) 10

Надежность 1 уровня (вычислительной части) 10

Итоги: 11

Заключение. 13

Общая оценка работы.. 13

Дальнейшие пути совершенствования. 13

 

 

Введение

 

В современном мире спутники играют огромную роль (системы геопозиционирования, мониторинг земли и ее атмосферы и т.д.) Для организации связи и решения других задач все чаще используют космические спутники. Стоимость спутника, в том числе и микро спутника, велика, а ремонт их практически невозможен, поэтому задача обеспечения надежности функционирования является важнейшей.

Важным условием правильной работы микро спутника является стабильность его орбиты и ориентации в пространстве, обеспечивающие необходимое положение антенн и измерительных приборов. Одним из способов поддержания стабильной орбиты, является использование гироскопов и датчиков ускорения микро спутника по трем осям для управления двигателем.

Цель работы: повышение надежности вычислительного модуля, управляющего движением микро спутника.

 

Основная часть

Анализ путей повышения надежности

 

Повысить надежность системы можно двумя путями. Первое это повышение надежности объектов системы, второе это их резервирование.

В предлагаемой системе использован второй способ, так как первый технически сложен, затратен и является задачей производителей оборудования.

Система с резервированием – это система с избыточностью элементов, т. е. с резервными составляющими, избыточными по отношению к минимально необходимой (основной) структуре и выполняющими те же функции, что и основные элементы. В системах с резервированием работоспособность обеспечивается до тех пор, пока, для замены отказавших основных элементов, имеются в наличии резервные.

По виду резервирование системы подразделяют на:

 

Активное (нагруженное) – резервные элементы функционируют наравне с основными (постоянно включены в работу);

 

Рис.1 Нагруженное резервирование

Пассивное (ненагруженное) – резервные элементы вводятся в работу только после отказа основных элементов (резервирование замещением).

Рис. 2 Ненагруженное резервирование

При нагруженном резервировании резервные элементы расходуют свой ресурс, имеют одинаковое распределение наработок до отказа и интенсивность отказов основных и резервных элементов одинакова. При нагруженном резервировании различие между основными и резервными элементами часто условное. Для обеспечения нормальной работы (сохранения работоспособности) необходимо, чтобы число работоспособных элементов не становилось меньше минимально необходимого. Разновидностью нагруженного резервирования является резервирование с облегченным резервом, т. е. резервные элементы также находятся под нагрузкой, но меньшей, чем основные. Интенсивность отказов резервных элементов облегченного резерва ниже, чем у основных. При ненагруженном резервировании резервные элементы не подвергаются нагрузке, их показатели надежности не изменяются и они не могут отказать за время нахождения в резерве, т. е. интенсивность отказов резервных элементов равно нулю. Резервные элементы включаются в работу только после отказа основных элементов. Переключение производится вручную или автоматически Разновидностью ненагруженного резервирования является скользящее резервирование, когда один и тот же резервный элемент может быть использован для замены любого из элементов основной системы.

+/-	Нагруженный резерв	Ненагруженный резерв
+	- Нет перерыва в работе системе, при переходе с одного элемента на другой. - Возможность отследить ложные данные. - Возможность повысить точность данных	- Резерв не потребляет энергии - Не вырабатывает свой ресурс - Не требует усложнения логики системы
-	- Система больше потребляет. - Усложняет логику работы системы	- Перерыв в работе системы пока резервный модуль включится - Должен быть кто-то кто включит систему Вероятность перевода резервного эл-та в рабочее состояние не равна 1.0

Исходя из этого, был выбран смешанный путь резервирования, объединяющий достоинства обоих видов.

 

Описание системы

 

В первоначальном виде система состоит из датчика ускорения по трем осям (MMA7455), вычислительного модуля (Arduino pro mini), и исполнителя (двигатель). С учетом выбранных методов повышения надежности, система была несколько усложнена и имеет вид. (Приложение 1, 2, 3).

Повышение надежности вычислительного модуля является не тривиальной задачей, в связи с тем, что модули имеют взаимосвязь, поэтому резервируя элементы системы, усложняется система обработки данных. Так же необходимо отслеживать состояние модулей, а в случае неисправности включать резервный модуль (это и есть один из этапов программного обеспечения надежности).

Датчики являются наиболее уязвимым местом системы, а система поддержания орбиты должна работать постоянно, следовательно датчиков должно быть минимум 2.

Если один из датчиков перестанет работать, то будут обработаны данные с другого датчика. А если один датчик будет выдавать ошибочные данные? При сильном отличии данных, решение может принять вычислительный модуль. Но если данные отличаются не намного, выбирать придется случайно. Для того что бы этого избежать, а так же для повышения точности вычислений (снизить дисперсию) было решено поставить 3 датчика в нагруженном резерве.

Вычислительный модуль очень важен. Для обеспечения бесперебойной работы необходимо поставить еще один модуль в нагруженном резерве, а для большего повышения надежности, еще один модуль поставим в ненагруженном резерве. Таким образом, тип резервирования был выбран смешанный.

Каждый ВМ опрашивает все три датчика, если ВМ будет опрашивать один датчик, то при выходе из строя датчика, вычислительный модуль станет бесполезным. Если же показания одного из датчиков сильно отличаются от двух других, его показания не учитываются.

Вычислительные модули опрашивают датчики поочередно, как следствие, результаты расчетов будут несколько отличаться, поэтому требуется обмен показаниями, после чего значение усредняют. На конечном этапе данные отправляются на исполнителя. Исполнитель же имеет простейшую логику: при отсутствии показаний первого ВМ, считывать показания второго ВМ, а при отсутствии показаний первого и второго, использовать данные с третьего вычислительного модуля.

В качестве программного обеспечения надежности так же используются алгоритмы для повышения точности показаний датчиков.

При разработке системы была использована среда программирования AtmelStudio, в которой было создано программное обеспечение, алгоритмически повышающее надежность (отслеживание ложных данных), а так же созданы опытные образцы к каждой из задач системы.

 

Сбор данных телеметрии

 

Для успешной работы системы надо отслеживать состояние модулей, для того чтобы вовремя включить в работу резерв. Для этого ВМ соединены между собой двумя цифровыми контактами (одна линия на передачу, другая на прием). По этим проводам постоянно передается сигнал, изменения которого отображают состояние модуля: каждый модуль выставляет на линии высокий уровень сигнала, а перед исполнением функции или процедуры программы понижает уровень и сразу повышает обратно; данный скачок регистрируется на другом модуле, что и позволяет судить о работоспособности модуля.

 

Рис. 3 Сигнал телеметрии

 

Варианты состояния телеметрии:

 

На порте приема - 1	На порте приема 0 –
Связь с модулем есть и он работает при этом мы считаем кол-во скачков (low).	Вычислительный модуль, скорее всего, неработоспособен.
Кол-во не изменилось => модуль «завис».*	Кол-во меняется, модуль работает в нормальном режиме

 

* Чтобы работающий модуль не был посчитан зациклившимся, необходимо осуществлять проверку реже, чем происходит исполнение функции.

Связь между модулями

 

Связь между модулями осуществляется по интерфейсу I2C. Для создания библиотеки передачи данных была использована, встроенная в среду программирования, библиотека “Wire”, а так же собран макет из двух микроконтроллеров.

Arduino Pro Mini

I2C шина

Программатор FT232RL

Рис.4 Макет из двух микроконтроллеров

 

 

Для разрабатываемой системы понадобилось создать 2 функции:

1)Прием передачи:

А) Подключаемся к шине, обозначив себя подчиненным с адресом (I2C адрес записан в ПЗУ)

Б) Теперь шина все время прослушивается, модуль ждет запроса передачи

В) Поступил запрос от мастера, теперь входящие данные записываются.

2) Отправка данных:

А) Подключаемся к шине, обозначив себя мастером

Б) Инициализируем передачу с подчиненным (обращаемся по адресам, записанным в ПЗУ)

В) Оправляем данные

Г) Закрываем передачу

Работа с датчиками

 

В работе использован 3х осевой датчик ускорения MMA7455. Передача осуществляется по интерфейсу SPI. SPI имеет 4 цифровых канала: MISO (Master In Slave Out) MOSI (Master Out Slave In) SCK (Serial Clock) + CS (Chip Select).

Считывание данных с датчика осуществляется следующим образом: 1)Переводим линию CS на низкий уровень (цифровой 0) 2) Используя библиотеку Wire, запрашиваем данные с регистра, содержащего значение (8бит). 3) Переводим пин CS обратно – создаем высокий уровень

(цифровая 1). Этот процесс происходит поочередно с каждым датчиком (Приложение 4). Имеется по три значения с каждого датчика. Данные сохраняются в базе данных (истории), после чего начинается обработка (Приложение 5):

1) Сверяем со значениями, хранящимися в памяти (предыдущие значения показаний датчиков). И подводим итог о работоспособности датчиков.

2) Сверяем между собой показания датчиков (разница во времени снятия показаний не сильно различна, поэтому данные так же не сильно различны), на основании чего можем делать вывод о работоспособности одного из MMA7455.

3) Используя показания работающих датчиков, рассчитываем усредненное значение.

 

Связь с исполнителем

 

Исполнителем в данной системе является еще один микроконтроллер, задача которого отображать полученные данные. Данные приходят по Serial интерфейсу (UART). Если на линии с основного модуля нет данных, то смотрим 2 линию (нагруженный резерв), если же на нем нет данных, то смотрит 3ю линию (пассивный резерв). Дальше, используя полученную информацию от датчиков, зажигаем светодиоды, в соответствии с углом наклона микро спутника. Сообщение о состоянии датчиков и вычислительных модулей передается в канал телеметрии.

 

Расчет показателей надежности

 

Расчет надежности состоит из следующих этапов:

1. Определение состава рассчитываемых показателей надежности.
2. Составление (синтез) структурной логической схемы надежности (структуры системы), основанное на анализе функционирования системы, и выбор метода расчета надежности.
3. Составление математической модели, связывающей рассчитываемые показатели системы с показателями надежности элементов.
4. Выполнение расчета, анализ полученных результатов, корректировка расчетной модели.

 

Разработанная система имеет 2 уровня, датчики и вычислительные модули.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: