飞行汽车这一曾经只存在于科幻小说中的概念，正逐渐走进我们的现实生活。然而，飞行汽车的安全性始终是公众关注的焦点，尤其是在其关键部件——多旋翼系统可能出现失效的情况下。本文将探讨多旋翼失效的原因、解决方案，以及冗余设计如何成为飞行汽车的安全底线。

多旋翼失效怎么办？冗余设计如何成为飞行汽车的安全底线(图1)


一、多旋翼失效的原因及影响

多旋翼飞行器的关键部件——螺旋桨和电机，在实际运行过程中会受到各种外界环境的影响，例如高温、风沙、日晒、雨水、腐蚀、碰撞等，突发故障时有发生，进而导致飞行器失控坠机。四旋翼飞行器的任一旋翼失效，将直接导致飞行器受力不平衡，无法保持安全飞行姿态。随着无人机的广泛应用，失控坠机危及人民群众财产和安全的事件也时有发生，由于四旋翼飞行器的旋翼不存在冗余，这种威胁更显得尤为突出

二、多旋翼失效的解决方案

（一）容错控制设计

容错控制设计是一种重要的手段，它不需要对四旋翼飞行器进行硬件上的调整，仅仅依靠控制设计便可提高四旋翼飞行器的安全性和容错性,在容错控制的应用中，需要设计算法，完成检测故障、定位故障和程度、根据故障进行控制重构三个步骤 北航科研团队设计出一种统一的被动容灾控制算法，该算法可以在不依赖故障检测、故障诊断的情况下，自主地实现不同执行机构故障下的容错控制，避免飞行器坠机。这种控制方法对故障信息依赖性小，不依赖旋翼的故障检测与诊断结果就可发挥作用，也不依赖于具体的故障信息  通过引入期望旋翼推力的反馈从而实现部分集总扰动的补偿，保证了具有多个旋翼故障的四旋翼飞行器的稳定性

（二）冗余设计

冗余设计是指通过多重备份机制来确保即使某个部件或系统发生故障，整体系统仍然能够维持正常运行或达到安全状态。在飞行汽车领域，冗余设计尤为重要，因为它可以为飞行汽车提供多重安全保障，确保在关键部件失效时仍能安全运行。

三、飞行汽车中的冗余设计

（一）动力系统冗余

小鹏汇天的飞行汽车在动力系统方面采用分布式动力布局、三冗余低压供电设计，降低了空中断电等风险，即使部分部件出现故障，仍然可以依靠其他备份系统安全降落。例如，其采用双独立电池包设计，即使其中一个电池包失效，另一个电池包也可继续供电。如果其中一个电池包发生热失控，通过电池包的泄压设计，将能量释放到机外，只冒烟不起火，不扩散至另一个电池包，确保机上人员安全。

（二）飞行控制系统冗余

飞行汽车的飞行控制系统采用三余度异构冗余设计，通过不同结构的硬件和软件减少单一故障模式的影响，提升整体安全性。例如，亿航智能的飞行汽车中，多个飞控系统之间相互备份，一旦主飞控系统出现故障，可以迅速切换到备用飞控系统，保证飞行姿态的稳定控制。

（三）通信系统冗余

飞行汽车的关键系统如飞控、导航、电驱、电池能量管理、飞行操控系统等均采用双路通信，即使单路失效，另一路仍可保证飞行安全。这种双冗余通信线路的设计，确保了飞行汽车在通信链路出现故障时仍能正常运行。

（四）电气系统冗余

飞行汽车的电气系统采用双路供电设计，高压和低压均采用双路供电，任意单条线路、电器元件发生短路、断路或其他故障后，不影响整机飞行安全。这种双冗余供电网络的设计，增强了飞行汽车的电气系统的可靠性。

（五）操控系统冗余

飞行汽车的操控系统也采用了冗余设计。例如，小鹏汇天的飞行汽车首创飞行器单杆操纵系统，摒弃传统固定翼和直升机复杂的双手双脚操控方式。如果主操纵杆失效，还可通过备份操纵器件控制飞行器。

四、冗余设计的优势

（一）提高安全性

冗余设计通过多重备份机制，确保即使某个部件或系统发生故障，整体系统仍然能够维持正常运行或达到安全状态。在飞行汽车中，这种设计可以显著提高飞行的安全性，降低事故发生的风险。

（二）增强可靠性

冗余设计可以增强飞行汽车的可靠性，使其在面对各种复杂环境和突发情况时仍能正常运行。例如，即使在部分旋翼失效的情况下，飞行汽车仍能依靠其他备份系统安全降落。

（三）简化设计

通过采用冗余设计，飞行汽车的设计可以更加简洁，减少了对单一系统的依赖。例如，北航科研团队设计的统一被动容灾控制算法，可以使用完全相同的控制器来实现对正常及不同故障的四旋翼飞行器的控制，简化了控制器设计过程。

五、冗余设计的挑战

尽管冗余设计可以显著提高飞行汽车的安全性和可靠性，但在实际应用中也面临一些挑战。例如，冗余设计会增加系统的复杂性和成本。此外，冗余系统的管理和维护也需要更高的技术水平。因此，在设计飞行汽车时，需要在安全性和成本之间找到一个平衡点。

六、未来展望

随着科技的不断进步，飞行汽车的冗余设计将不断完善。例如，人工智能和机器学习技术可以用于实时监测和预测故障，进一步提高飞行汽车的安全性和可靠性。此外，新材料和新工艺的应用也将为飞行汽车的冗余设计提供更多的可能性。

七、结论

多旋翼失效是飞行汽车面临的一个重要问题，但通过容错控制设计和冗余设计，可以有效解决这一问题。冗余设计通过多重备份机制，确保即使某个部件或系统发生故障，整体系统仍然能够维持正常运行或达到安全状态，成为飞行汽车的安全底线

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