从“孤注一掷”到“多重保险”——听杨炯教授谈飞控硬件冗余设计有感
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从“孤注一掷”到“多重保险”——听杨炯教授谈飞控硬件冗余设计有感
2026年6月26日，在亚洲低空经济与无人机系统产业展览会上，北京航空航天大学无人系统研究院的杨炯教授围绕飞控技术的发展进行了专题分享。作为一名长期从事元器件选型工作的销售工程师，讲座中关于飞控硬件冗余设计的讲解引发了深刻思考。杨教授从工程实践出发，系统阐述了冗余设计的必要性、实现方式以及对元器件选型的具体影响。
一、冗余设计的根本动因：基于“失效可能性”的工程思维
飞控系统作为无人机的核心控制单元，其可靠性直接关系到飞行安全。杨炯教授在讲座中引用了航空工程中的一项基本原则：在系统设计阶段，必须预设所有子系统都存在潜在失效风险。这种设计思路并非出于保守，而是基于对现实工程中元器件失效率的理性认知。
从技术角度看，传感器、主控芯片、电源模块等关键部件均存在一定的失效率。提高元器件质量与制造工艺虽能提升可靠性，但受限于成本与技术边界，其效果在高可靠性场景中往往有限。相比之下，容错设计通过引入冗余资源，使系统在部分组件失效时仍能维持运行，成为更优的工程策略。
讲座中展示的飞控元器件选型清单也体现了这一理念。从惯性测量单元（IMU）到磁罗盘、气压计、GNSS模块，关键环节普遍采用冗余配置。其核心逻辑在于：单点故障（Single Point of Failure）是系统可靠性的最大威胁。若某一元件失效即可导致系统瘫痪，那么该系统的设计便存在缺陷。
二、冗余设计的三个层次：从感知层到控制层再到供电层
杨炯教授将飞控系统的冗余设计划分为三个层级，为元器件选型提供了明确的技术方向。
首先是传感器层级的冗余。这是冗余设计的基础环节。以IMU为例，现代飞控系统通常配置两套或三套IMU，通过数据交叉验证实现故障检测与隔离。三余度传感器配置结合表决逻辑（Voting Logic），在数据不一致时采用“多数表决”机制识别故障通道。这也是开源飞控平台如APM和FMT支持多种IMU型号（如TDK的ICM系列、博世的BMI系列）的原因——它们不仅是兼容选项，更是冗余配置的必要支撑。
其次是主控层级的冗余。杨教授在讲座中介绍了双CPU或三CPU的冗余架构。在双余度飞控系统中，主控与副控同步接收输入信号，通过串口通信与定时互检机制实现故障诊断与隔离。仲裁切换电路在此过程中起到关键作用，确保系统在故障发生时能够平滑切换，维持控制输出的连续性。对选型工程师而言，主控芯片不仅要满足算力与接口需求，还需具备对双机同步与互检通信的支持能力。
第三是电源与接口层级的冗余。讲座中特别强调了“不间断供电”与“高压打火处理”等工程细节。电源作为飞控系统的“心脏”，一旦中断，所有冗余机制都将失效。因此，宽压输入、冗余电源轨、电容耐压选型等看似基础的元器件决策，实则是冗余设计的最后一道防线。
三、冗余设计的工程权衡：并非冗余越多越可靠
冗余设计并非冗余越多越好。杨教授指出，冗余资源的增加会带来系统复杂度的上升，而复杂性本身可能成为可靠性的隐患。若设计不当，反而可能导致系统可靠性下降。
从学术研究角度看，单纯的三余度配置若缺乏独立部件的增强冗余，可能难以满足高可靠性要求。冗余数量的选择需综合考虑可靠性指标、体积、重量、功耗、成本以及冗余管理水平等多个因素。这也是不同无人机平台采用双余度、三余度甚至四余度方案的原因——没有绝对最优，只有最适配。
此外，冗余切换逻辑本身也存在风险。例如，在双余度系统中，若两个飞控计算机同时抢占输出，可能引发“死锁”现象。一个设计不当的仲裁器，反而可能成为新的单点故障源。这对选型工程师的启示是：不仅要关注元器件的性能参数，还需深入理解其在冗余架构中的协同机制。
通过杨炯教授的讲座，可以更清晰地认识到：飞控元器件的选型不仅是性能指标的比对，更是系统级可靠性设计的体现。从依赖单一高性能传感器的“孤注一掷”，到配置多路冗余资源的“多重保险”，这种思维转变正是硬件工程师应具备的专业素养。
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