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无人机产品质量提升研究与案例分析

时间:2019-10-12 15:57:40 点击:

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近年来,由于微电子技术、无线通信技术、材料技术的蓬勃发展,国内外无人机销量呈现爆发式增长‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。据中国民用航空局统计,2018年我国的无人机保有量已达28万架‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。在数量迅猛增长的同时,因无人机产品质量引发的事故也不断见诸于各类媒体‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。因此,控制和提升无人机产品质量已刻不容缓,对于保障无人机产业的健康发展也有深远意义。本文将从无人机安全风险、质量检测及监督等角度探讨无人机产品质量提升问题,并依托实际案例进行技术分析,供各位同行及专家参考。

无人机的安全风险

无人机使用所产生的安全风险,一直以来都是业界的热点话题。从干扰民航飞行秩序,到伤害普通群众,可以说无人机的安全风险涉及到社会的方方面面。根据受到侵害对象的不同,我们把无人机的安全风险分为人员、产品、环境及隐私四类,这四个类别基本涵盖了目前无人机全生命周期过程中涉及到的安全风险。只有对其安全风险进行系统性的分析和梳理,才能够掌握风险点,进而分析原因并采取相应的风险减小或避免的技术措施和管理行为。

人员风险

·坠落砸伤地面人员

这方面的实际案例已经发生多起,如:

2018年5月9日下午4点左右,一名1岁多男童与家人一起在北京市朝阳区萧太后河广场休息 ,被一架空中坠落的无人机砸伤脸部,当场血流不止。经过警方调查,肇事者已确认为一名14岁德籍男孩。

·误导诱骗操控人员

这类风险是由少数不法分子通过技术手段,对无人机系统进行劫持、诱骗或操控,从而对无人机的合法操控人员造成不利影响。

以上两个方面是目前发生频次较高的对人员产生的风险,也是人们最关注的安全点。虽然任何一项新技术新产品都有造成安全风险的可能,但是,较高的事故率将极大地限制无人机行业的健康发展和产品应用的普及,解决对人员所造成的安全风险,已经成为业界的首要任务之一。

产品风险

·产品碰撞坠落损坏

俗称“炸机”,也是最主要的风险形式之一。尤其在重要活动现场、重要基础设施的巡检维护过程中,无人机一旦发生碰撞坠落,将造成不可估量的损失。

·产品质量特性降低

此类风险不一定导致坠落或人员伤亡,但有可能导致前述危险事件发生,无人机续航能力弱、可靠性差、安全性低、环境适应性弱等质量短板问题已经成为这些飞行事故的罪魁祸首。

澳大利亚墨尔本皇家理工大学某研究团队,对近十年来全球发生的152次无人机事故进行了调查。发现当中机件安全问题占64%,比人为操作失误更多地导致事故发生。最常出现的是机身安全故障、无人机和遥控器之间的通信信号失联等问题。

产品风险主要是指无人机自身的安全风险,由于整个无人机产业尚处于技术实现阶段,产品的功能性不完善、耐久性可靠性较低、续航时间短等问题依然存在,已经严重落后于产品的应用拓展和扩张的速度,因此也不可避免地导致安全事件的发生。

环境风险

·干扰破坏其他飞行器运行

此类风险近年来持续上升。在2017年春季的成都、昆明两地发生的无人机黑飞事件严重影响了民航班机的正常运行,安全隐患极大。·对建筑物、农田、输电输油线路等财产的损害

由于无人机运行环境的特殊性,对周围的环境会造成不同程度的损害,最为突出的领域是对民航飞行环境的影响。

隐私风险

·自身隐私数据被窃取

使用者隐私的泄露是无人机系统主要风险形式之一,随着无人机关注度不断提升和数据量持续扩充,数据泄露的风险还有可能上升。

·进入敏感区域,窥探获取他人隐私数据

无人机系统最受关注的风险形式之一,受害者往往在权益受损之后才知晓,甚至长期不知晓。

隐私风险目前越来越受到人们的重视,随着人工智能技术的来临,无人机作为人工智能的重要载体之一,已经呈现数字化、智能化的特征。大量的数据交互所引发的个人隐私安全和国家隐私安全都将受到极大的重视。

无人机的安全性

通过上述分析,我们已经了解无人机的四类安全风险。那么,无人机为什么会产生这样的风险,无人机的安全性又与哪些因素相关。本节将从与无人机安全性相关的3个层面进行分析,即产品制造、产品运行及产品监管。无人机的整个生命周期涉及到众多环节,本节所分析内容是其中与安全性关联度最高的三个部分。

产品制造

产品制造是无人机诞生的第一个环节。产品的整个制造过程又可以分为设计、研发、调试、生产、出厂检验等。与产品制造过程相关的无人机质量特性主要包括以下内容:

·飞行功能性能

此类包括无人机巡航速度、静升限等指标。

·机械电气安全

此类包括电机转速、油机功率、电池额定电压电流等指标。

·环境适应性

此类包括工作温度范围、湿度范围等指标。

·功能安全

此类包括安全完整性等级、失效分析等指标。

·信息安全

此类包括抗恶意代码攻击能力、定期启用日志等指标。

·电磁兼容

此类包括抗工频磁场干扰能力、抗快速瞬变电脉冲能力等指标。

以上所列质量特性技术指标并不能涵盖无人机制造的全部要素,质量的概念和特性总是在不断演进,不论从产品标准的要求、客户的要求以及政府行业等相关方面的要求来讲,无人机产品均需要满足基本的符合性和适用性。

产品运行

从使用环境上来看,无人机产品具有鲜明的特征,其运行涉及海陆空三种不同的环境;从产品的使用方面来看,在当前行业规范还不成熟的条件下,其实际使用者不仅有职业飞手,也包括业余爱好者、各行业其他从业人员等。众所周知,在航空领域,只有经过非常严格的训练和考试评定通过后,才能具备操控飞行器的资质和能力。然而,当前无人机却面临着复杂运行环境与实际操作者能力不匹配的尴尬局面,这也对无人机的正常安全运行带来极大的不利影响。与产品运行相关的无人机质量特性主要包括以下几个方面:·飞行空域申报

在飞行前向主管单位及时申报待飞空域的能力。

·飞行操作程序设定

对各类飞行所需操作的设置能力。

·飞行检查与操控

对无人机进行飞前的自动化或人工检查能力。

·飞行资料整理

对飞前准备的空域、飞行期间产生的数据进行保存和分类分析的能力。

·产品运维保养

为保障无人机系统的正常使用而进行的维护、维修能力。

产品运行过程中的安全性并不是由单一因素所决定,无人机制造商往往注重产品的售前宣传和服务,而对产品使用过程的指导和帮助不够完善‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。无人机使用者为了达到工作或娱乐的目的,存在一定的使用盲目性。而与运行相关的空域申报、资质获取等环节,目前相关的体系制度以及法律法规尚不健全,这也从客观上对无人机安全、合规、便捷的运行使用造成了不利影响。

产品监管

产品监管问题在无人机诞生之初便被业界人士不断提及,合理顺畅的监管行为将有助于行业快速健康的发展,反之则容易陷入无序竞争或过度打压的局面。同时,我们也应该意识到,无人机产品不同于一般意义上的工业品或消费品,比如汽车、手机、玩具等,无人机兼容了多个行业和产品的属性,不论从技术上还是法律法规上来讲,其监管难度可想而知。与产品监管相关的因素主要包括以下几个方面:以下监管活动是对无人机正常管理所必需的。

·无人机安全监管

对无人机运营过程中涉及的系统安全、人员安全、设备安全、财产安全所进行的监管活动。

·无人机交通管理

对无人机飞行的空中交通管理活动。

·无人机身份识别

根据需要,对无人机型号、所有者、操作者的快速识别。

·无人机驾驶员培训及管理

对无人机操作者的操控技术、安全规则的培训及对操作者的登记、考核及严重违章行为的处罚。

无人机产品的监管需要国家各层面监管机构、各行业主管单位以及社会各界的共同发力,才能最终实现有序有效的监管。从国家层面来讲,无人机监管涉及国家空管、民航、公安、市场、工信、农林等多个部门,以及国家、省市和地区的多级监管。从行业层面来讲,涉及个人消费、植保、能源、工业等多个领域。

无人机产品质量提升技术路径

根据无人机系统的设计、制造和使用特点,促进无人机产品质量提升的技术路径需从以下三个体系建设开展,即产品质量保障体系、过程质量保障体系和应用服务质量保障体系。其中过程质量保障体系主要针对无人机系统的设计过程;产品质量保障体系主要针对无人机系统的制造过程;应用服务质量保障体系主要针对无人机系统的使用或运营过程。

产品质量保障体系

在功能性能、机械电气安全、功能安全、信息安全等方面构建测试体系,提高产品质量和安全可靠性。此体系主要用于设计定型后的成品制造阶段,用以控制批量产品的质量。

过程质量保障体系

在无人机的设计过程、测试过程等方面构建审查体系,提高整体系统实施质量和产品一致性。例如对无人机使用的嵌入式软件就依托软件工程原则,从需求分析、概要设计、详细设计、代码编制、单元测试、集成测试和系统测试等各环节进行评审与验证。

应用服务质量保障体系

在试运行阶段构建应用服务质量评价体系,发现产品在实际运行过程中的缺陷和问题,辅助优化和提升产品安全可靠性。例如无线通信的抗干扰能力、抗侧风飞行能力等。

无人机产品质量提升及质量保障

技术路径分析

无人机产品质量的提升可以从整机系统测试、机载设备测试两个角度入手。整机系统测试是检测无人机产品作为飞行平台在总体的飞行功能性能等方面是否符合质量要求,机载设备测试是检查无人机携带的各个分系统如动力、控制、通信等模块的功能性能是否满足要求。

(1)整机系统测试

(2)机载系统测试

典型案例分析

无人机典型案例分析共选取35款多旋翼消费级无人机产品,按4大类共22项测评指标进行测评。

(1)产品测试

·测试低电量报警提示、飞控系统锁死情况

检查无人机系统电量过低时的自动报警提示功能,检查无人机系统飞控系统防止非法操作而自动锁死的功能。

·测试无人机中断返航、断电续航情况

检验无人机在紧急情况下中止原定任务返航的能力,检验无人机在不充电后最长续航时间。

·测试无人机自主飞行、自主巡检功能

检验无人机在没有遥控指令时自动保持预定航线飞行能力,检验无人机在没有遥控指令时自动巡视检查特定区域的能力。·测试无人机智能返航过程中航线、起降、螺旋桨等状态

检验无人机智能返航过程中航线高度、速度保持能力,自主建立起降航线能力,螺旋桨参数采集是否及时完整的能力。

·测试无人机在自主飞行和手动飞行下避障情况

检验无人机在自主飞行时自动躲避地面或空中障碍物的能力,检验无人机在手动飞行时根据指令躲避地面或空中障碍物的能力。

·测试开机初始化参数、工作状态参数显示情况

检验无人机开机后显示初始化参数的能力,检验无人机工作状态下传输和显示系统参数的能力。

·测试低电量情况报警提示方式

检验无人机在低电量下自动报警提示的方式是否及时醒目。

·测试无人机操作稳定性、易用性

检验无人机空中状态是否易于保持,飞行操作是否易于学习。

·采用非接触式测量方式,利用激光跟踪仪采集记录无人机最大飞行速度、最大上升速度、最大下降速度、水平悬停精度、垂直悬停精度数据,重复测试3次

·测试无人机最大悬停时间

检测无人机在空中一次悬停无其他状态转换的最长持续时间。

·测试无人机与地面控制站信息实时传输最大距离检测无人机与地面站实时传递信息时的最大距离,包括视频数据、飞行参数、系统内部参数。

·测试无人机与地面控制站控制信息传输最大距离

检测无人机与地面站实时传递控制指令时的最大距离。

·采用接触式测量方式,利用RTK性能测试工具采集记录无人机最大水平飞行速度、最大上升速度、最大下降速度、水平悬停精度、垂直悬停精度数据,并分析测试数据,重复测试3次

(2)测试问题分析

(a)基本参数

在测试中,我们发现37.5%的产品说明文档中未标明无人机外形尺寸,25%未标明无人机重量,50%未标明续航时间与高度限制;所有被测产品均存在未安装产品铭牌或铭牌必要信息缺失的问题;所有产品均存在充电安全警示标识及特殊部件警告标志不明确的问题;75%的飞行器、遥控器指示灯显示混乱,与用户说明书不一致;12.5%的产品说明文档缺少设置安装步骤及操作方法,37.5%的产品缺少避免危险的措施;50%的产品说明文档缺少用户检查和维护项以及移动和存储说明。

(b)飞行性能

在飞行性能测试中发现62.5%的产品在悬停过程中,飞行器产生不同程度的漂移,悬停易失控。表现最佳的是大疆无人机,悬停定位精度较高,水平可达0.15m,垂直可达0.1m。37.5%的产品负载性能欠佳,挂载测试工具飞行(部分飞行器已卸载云台),飞行器飞行过程中难控制,返航降落时落地不平稳,桨叶损坏;37.5%的产品图传信号不稳定:飞行器在远距离飞行时,图像易出现不同程度卡顿现象,大疆无人机在图传稳定性和距离方面最佳;75%的产品在飞行过程中控制稳定性差,容易产生失控或遥控器失灵。

(c)飞行功能

在飞行功能测试中发现87.5%的产品不具备障碍物安全检测功能,在实际操作中极易撞击其它物体;75%的产品在低电量模式下的保护机制不完善,容易导致非正常返航或坠机;25%的产品可与不同账号的APP连接,未实现一对一控制,存在飞行器操作失控风险;20%的产品实际飞行高度与APP界面显示高度不一致,容易导致误操作;12.5%的产品在草地等不平稳地面降落,存在接地倾覆危险;界面易用性方面,37.5%的APP未详细说明飞行功能点,25%的APP界面无法设置悬停时间、低电量阈值设置,操作易用性低。

(d)基本安全性

在基本安全性测试方面发现87.5%的产品均未明确标注外壳防护等级,外壳存在裸露接口或散热孔,防护等级未达到IP34,易导致电气故障、噪声触电、短路和起火等危险;所有产品的电池和电池组未标明符合强制性国标GB31241相关要求,存在漏液、起火、爆炸和过热等危险;12.5%的产品电源适配器未获得CCC认证,不符合国家强制性认证要求,可能会造成过热、起火和触电的危险;多数产品的电机均未标明符合相关标准要求;部分产品螺旋桨叶存在锐边,容易产生刮伤风险。

(3)信息安全

随着科技的进步和制造成本的降低,无人机的应用将越来越广泛。在未来的智慧城市、能源工业巡检、物流快递、警用安保等各个领域都将活跃着无人机的身影。与之而来的信息安全问题也逐渐引起了人们的重视。从对象来讲,信息安全问题一方面是无人机自身所面临的攻击入侵等,另一方面是无人机对其它领域的信息侦测、截获等。以下四个方面主要从无人机自身的信息安全风险点进行分析,阐述了无人机信息安全的研究方向。

传感器安全:分析陀螺仪、GPS系统等各类传感器的风险点,研究干扰和欺骗技术。

通信链路安全:针对无线电遥控、WiFi、ADS-B等通信传输方式,研究通信信号干扰与劫持技术。网络安全:针对无人机多机协同网络,研究虫洞攻击、联合攻击、窃听攻击等网络攻击技术。

本体安全:分析无人机软件系统、飞控系统、导航系统、动力系统等关键系统结构及工作原理,研究系统漏洞扫描、病毒入侵、安全检测技术。

(4)功能安全

功能安全是评估产品和系统与安全相关功能以及失效分析的过程‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。当前,无人机产品还没有成熟的功能安全要求和标准规范,以下所列标准为相关产品的通用功能安全要求,仅供参考:

无人机系统功能安全相关指标

·硬件架构(Cat)

·平均危险失效时(MTTFd)

·危险诊断覆盖率(DCavg)

·共因失效(CCF)

·性能等级(PL)

无人机系统功能认证流程

在认证中,提供从培训、分析、咨询、评估、工厂检查、最终检查及发证的一条龙服务。通过培训提升客户员工资质和安全管理知识水平。针对功能安全管理、软硬件功能安全等内容进行产品失效分析,特别是在产品设计阶段。咨询主要针对硬件设计及软件过程,提供软硬件设计与安全诊断。在最终评估中进行体系评审、技术评审。通过对工厂进行检查核实功能安全在企业的落实情况,并根据检查结果出具报告。在企业通过检查后发证。

无人机系统功能安全分析

V字模型

如图1,设计部分阐述了功能安全整体设计阶段,从需求分析、概要设计、详细设计等阶段软硬件和安全的设计要求。需求部分标识了代码或硬件模块实现阶段的工作。功能安全管理部分按照功能安全整体验证所覆盖的粒度由粗到精细分为有效性验证的规划、系统测试设计、硬件及组件测试,软件单元测试等四个级别。确认验证部分标识了从软硬件单元验证阶段,到软硬件模块集成等不同阶段的测试活动。信息安全和功能安全的验证部分标识了系统整体的测试验证活动。

无人机产品质量提升的过程质量保障

为保障无人机产品交付的一致性和部署质量,采用“出厂前工厂能力审核,出厂后部署调试监督”的模式,对无人机的研发设计过程、部署调试过程进行质量保障。

工厂能力审核

对能力的审核包括了文件和工厂检查两部分:

部署调试过程审查审查内容包括文件、技术验收及现场监督。

无人机产品质量提升的应用服务保障

为有效保证无人机的应用服务质量,确保无人机产品运行的稳定性和安全可靠性,提升无人机的作业效率,需建立全方位的应用服务质量保障体系。通过试运行阶段的定期检测和监测,发现产品和系统在实际应用过程中存在的缺陷、问题等,辅助持续优化和提升产品质量。

按照“实施前-实施中-实施后”的应用服务质量过程控制方针,对无人机在安全性、可靠性、应用服务能力、用户满意度、智能化水平等五个方面进行跟踪和操作管理,提出应用服务质量保障要求。

总结与展望

近年来,无人机产业成为“风口”,获得大批资本的青睐,无人机已经从专业飞手逐渐走入了百姓消费者的手中。无人机已经成为“中国制造”的新名片。

然而现有的无人机产品却“槽点满满”,无人机失控炸机等安全事件频发。随着行业的发展,相关的监管措施、技术措施还需得到全面提升。为此,从以下四个方面提出建议意见:

加强无人机产业监管,以政府监督推动品质信任。加强无人机产业监管力度,加强从生产研发到市场流通的全生命周期监管,充分保障产品质量和安全,建议尽快建设面向无人机生产研发的监管平台,促使企业把安全责任意识摆在首要位置,提高产品市场公信力。

加快推进无人机标准化,以标准研制促进技术突破。建立无人机标准化、规范化行业准入门槛,尤其对于产品功能、性能、安全性方面,组织企业联合开展标准研制工作。建立第三方公共服务平台,以检测认证带动质量提升。推进检测认证在无人机产业链的导入,多维度考察产品质量。建议由专业科研机构联合建立第三方公共服务平台,开发适合当前无人机产品的认证项目,引导企业通过认证发现产品缺陷,提高产品迭代效率,提升技术支撑和市场服务能力。

发挥无人机检测认证联盟产业纽带作用,以联盟促进体系建立。建议支持建立无人机检测认证联盟,加强无人机检测认证机构之间合作。加强国内外无人机检测认证技术交流和深度合作,引进国外先进技术和手段,提升我国无人机检测认证技术水平,最终建立起统一的国家无人机产品认证体系,为无人机产业保驾护航。

作者:易代网 www.163daixie.com 来源:网络
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