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无人机飞控软件开发质量监督方法研究

时间:2018-04-13 21:48:11  来源:互联网整理  作者:匿名  TAG:

  无人机飞控系统是无人机系统控制的核心,对于一个实用的飞控系统来说,除了配置必要(充分考虑余度配置和控制)的硬件外,还必须有相应完善可靠的软件支持(随硬件不同而不同)。为了实现无人机飞控系统的各项控制功能,其软件通常由以下几部分组成:飞行控制程序、操作系统、故障诊断程序、支持软件等。飞行控制程序软件主要由飞控系统自检模块、控制律计算模块、数据管理模块、余度管理功能模块、安全控制模块、管理执行程序等组成;操作系统软件包括飞行控制程序软件地面设计编程与检查、飞控计算机与地面检测设备接口控制软件,操作系统通常存储在地面检测设备里;故障诊断程序软件主要用来控制检测无人机配置的所有硬件技术状态的软件,通常也存储在地面检测设备里;支持软件,在确定的开发计算机上控制实现汇编、宏处理、参数列表打印、输入/输出和连接编辑等软件,是开发飞控计算机的非常重要手段。

  现代无人机飞控系统是在飞控计算机的支持下工作的,它的可靠性主要取决于飞控软件的质量特性。为了提高无人机飞控软件质量,避免软件存在这样那样的错误,如软件故障、软件错误、软件缺陷等,除严格按照软件工程方法进行软件开发外,还必须对其整个寿命周期进行监督。

  无人机飞控软件开发质量现状分析

  无人机飞控软件开发中存在的主要问题

  (1)顶层管理薄弱

  某些无人机制造商对飞控软件产品质量的特点、软件生命周期的特殊性认识和重视度不足,导致无人机装备飞控软件没有产品标识,没有独立的经费核算,没有脱离硬件传统的验收程序,系统项目计划进度安排与软件活动周期不完全吻合。这些飞控软件顶层管理的缺点,将影响无人机装备飞控软件的开发质量。

  (2)需求分析不明确

  使飞控软件质量难于把握的一个重要因素就是软件需求分析不明确。软件不同于一般产品,它是一种不可见的复杂逻辑实体。如何准确充分地确定需求,使其真正反映用户的意图,是一项非常重要的工作。这项工作面临的困难主要有两个方面:一方面,不同型号的无人机装备,其飞控软件设计有不同的技术方法、业务流程,专业领域的多样化也决定了软件开发人员对无人机装备软件需求的理解远不如对文字处理、做图等专业应用软件理解深刻、全面;另一方面,在无人机装备软件的前期设计中往往难以直接面对最终用户进行深入、有效地沟通和交流,交互不充分让设计人员难以准确捕获、把握具体无人机装备的具体软件需求,从而导致需求模糊,为以后需求变更埋下隐患。

  (3)开发计划不确定

  无人机项目计划进度的不确定影响了软件活动安排。无人机软件的运行载体是无人机装备的硬件平台,这也决定了无人机装备软件与一般商业软件在开发周期上的差异,即无人机装备软件开发不是一个独立的进程,很大程度上依赖于无人机硬件设备的开发周期,这也就增加了無人机装备软件开发进度的不确定性,飞控软件开发计划需要经常参照无人机硬件平台的完成时间做动态调整,计划跟不上变化几乎成了无人机飞控软件开发计划的通病。

  (4)测试效果不理想

  无人机飞控软件测试对于软件质量的监督作用未能得到有效发挥。软件测试是无人机飞控软件质量保证的关键因素,代表了对无人机飞控软件规约、设计和编码的最终检查。但现状却是软件测试组织不完善、测试工具不齐全等,即使交由第三方测试机构进行专门的无人机装备软件测试,也往往因为领域、认知的差异造成飞控软件测试不充分,测试结果偏离实际的度量数据,反映不出真实的质量水平。

  (5)软件文档质量不高

  文档与设计开发严重脱节为飞控软件质量埋下了隐患。造成这个问题的原因多种多样,有的是软件开发管理人员往往更关心项目开发的成本和进度,因为成本和进度是显而易见的,感觉编写飞控软件文档是浪费人力成本;有的是设计人员对开发文档的重要性认识不够,设计存在随意性,造成了实际开发与文档不符;也有的是在开发过程中改动频繁且又未严格执行更改程序,改动没有反馈到文档,使文档和开发之间出现了偏差;再有就是没有飞控软件的有关文、物一致性的监督机制,客观上放任了这种现象的滋生。而这些问题对飞控软件质量产生的危害都会在飞控软件的改进完善、升级维护、设计人员流动等情况下逐渐暴露和显现出来。

  无人机飞控软件开发质量影响分析

  无人机装备飞控软件开发过程的质量问题在需求描述、模型设计、编码、测试、更改、维护等整个软件寿命周期的任何一个环节上都可能出现,飞控软件的高风险在很大程度上源于软件的“错误放大模型,及需求分析阶段、概要设计阶段、详细设计阶段、编码/测试阶段,不仅会接受到上一个阶段产生的错误,还会对这些错误进行放大。

  为了减少飞控软件质量问题,不仅需要在无人机飞控软件工程活动的每一个阶段都设置软件质量保证活动,相当于产品流水线每一道工序的质量都要把关。最重要的是要严把无人机装备方案设计、飞控软件需求分析审查关,在源头上将设计错误扼杀在萌芽状态,以防止错误被放大传递到下一阶段。

  提高无人机装备飞控软件开发过程质量的策略

  制定并严格执行飞控软件质量保证计划

  为了保证每个无人机项目飞控软件质量目标的实现,需要制定出一个飞控软件质量保证计划,以明确软件质量目标、软件质量保证所需要的活动内容、软件开发工作的质量标准以及软件产品质量有关的组织、角色和责任,以保证计划中细化和量化预期的质量改进目标。

  坚持飞控软件评审制度

  飞控软件评审并不只是在飞控软件开发完毕后进行,而是在飞控软件开发的各个阶段都要进行评审。这是由于飞控软件开发的各个阶段都可能产生错误,如果这些错误不及时发现纠正,错误会不断地扩大,最后可能导致整个项目的颠覆性失败。飞控软件开发过程按阶段大致可分为:软件需求分析、软件设计(包括概要设计、详细设计)、代码编制、系统集成、单元测试、软件部件测试、软件验收等6个阶段。阶段评审是在飞控软件生命周期各个阶段完成以后,对飞控软件项目的工作成果或阶段成果进行评审。通过评审可以发现飞控软件功能、逻辑或实现方面的错误,可以验证飞控软件是否满足用户的需求。例如在需求定义结束后,要进行飞控软件功能描述的评审工作;在概要设计结束后,要进行概要设计的评审工作;在详细设计结束后,要进行详细设计的评审工作;在业务测试结束后,要进行操作的可接受性评审。评审工作多以评审会议的形式进行,评审会议要有飞控软件使用者(无人机采购方或使用方)参与,会议结束时必须要做出以下决策之一:飞控软件产品已满足要求,不需要修改;由于有严重错误,要继续修改完善;到目前为止所交付的软件产品尚能满足需求。会上所提出的每一个问题都要进行记录,在评审会议结束前产生一个评审问题表,并形成评审简要报告作为开发过程中的文档资料进行保存。

  尽可能采用先进软件设计技术

  先进的技术方法可以保证飞控软件开发过程进度,提高软件质量,如面向对象和基于构件的方法。面向对象的方法强调类、封装和继承,能提高飞控软件的可重用性,将错误和缺陷局部化,同时还有利于用户的参与,这些对飞控软件质量都大有益处。基于构件的开发方法是将编制好的“构件”插入已做好的框架中,从而形成一个大型软件,构件时可重用的软件模块,构建既可以自己开发,也可以使用其他项目的开发成果,或者直接向软件供应商购买,因此,基于构件的开发方法又被称为“即插即用编程”方法。当发现某个构件不符合要求时,可对其进行修改而不会影响其他构件,也不会影响系统功能的实现和测试。

  统筹规划飞控软件测试工作

  软件测试是软件开发的一个重要环节,同时也是软件质量保证的一个重要环节。通过测试,可以发现软件中存在的问题并提出修改方案,改进软件质量。软件测试的目的有三个:一是寻找软件程序错误;二是寻找与用户需求不一致和存在的缺陷;三是以较少时间和人力找出软件潜在的各种错误和缺陷,以确保系统的质量。软件测试一般包括单元测试、集成测试、确认测试、和系统测试(综合测试),如果测试结果与预期结果不一致,则很可能是发现了系统中的错误。做好测试工作要事先制定测试计划和编制测试用例,确定测试范围、方法和所需要的资源等。在测试过程中要详细描述与每个测试方案有关的测试步骤和数据(包括测试数据及预期的结果)。每次测试的结果要详细记录、归入文档,如果运行出错,则应当产生问题报告,并且必须进行修改以解决所发现的问题。

  飞控软件测试过程与步骤

  在软件测试认证之前,要建立无人机飞控系统软件规范和标准,并在整个飞控软件开发过程中严格按照执行且对软件进行验证和确认,这是保证飞控软件开发过程中不出错或少出错的重要举措。软件验证是在测试或模拟环境下执行程序和发现错误的过程,目的是验证显示软件是否正确实现和满足规范和标准,是否存在设计和结构技术错误或缺陷;软件确认是在给定的实际系统中执行软件程序,通常是在软件综合测试阶段进行,目的是确认全系统(包括软硬件)是否正确实现和满足规范与标准的所有性能指标,是否存在错误或缺陷,例如,无人机在作综合测试时,就可以测试无人机自主导航段程序是否按预定的航线飞行、舵面动作是否正确、油门动作是否正确、传感器管理和遥控指令封锁是否正确等逻辑功能和逻辑时序。

  当然,无人机飞控软件的验证和确认的最有力手段是实际测试。实际测试可以看作是验证软件程序正确性的一种试验方法,目的是找出软件中残留的缺陷并修正它。实际测试时,为了避免测试的局限性,应邀请相关人员(研制方、用户或第三方)参与进行。软件测试方法多种多样,主要有功能测试和结构测试两种。前者仅是从软件口上测试软件的功能,所以又称为“黑箱测试”;后者是按软件结构进行测试,以检查它的状态是否与预期的相符,因此又称为“白箱测试”。软件测试过程大体上可分为单元测试、整体测试和最后阶段的有效性测试或集成测试3个阶段。测试时还要区分软件的类型,如关键级、重要级、一般级等,要针对每个级别的重要性而采取不同的验证活动和相应的保证措施。此外,软件验证和确认通常需要一些专用工具和程序软件,例如计算机测试程序,飞控软件测试时要根据无人机采用的计算机类型、数据总线和编程语言等实际情况选用。

  软件确认就是要证实开发的设备和系统是否满足整个无人机系统的要求。无人机的飞控软件确认应在模拟真实环境下测试机载硬件和软件的功能,以证明全系统功能确实达到了设计规范和要求。软件测试通常可分模块测试和程序验证、程序确认、系统确定和飞行测试等四级:(1)模块测试和程序验证。无人机飞控软件程序为了方便测试,一般都根据其不同的功能采用模块化方式编制,如导航模块、遥控遥测模块、回收模块等。此时测试是验证模块编码的功能,然后将模块综合到主 程序中,再对程序进行测试,检查确认其运行是否符合设计要求的运行方式。(2)程序确认。无人机飞控硬件包括傳感器(如陀螺平台、大气计算机等)、处理计算机、数据总线、执行机构(如舵面舵机、油门舵机等)等,这些硬件的工作需要相关的软件来组织和控制。此阶段的测试是在模拟环境下采用相关仪器对硬件和硬件相关的软件点对点工作的确认。(3)系统确定。此阶段测试要完成全机半实物仿真测试,软件仿真要有最大可能的逼真度,机载硬件要全部参与或要用尽可能多的硬件。无人机开发时要建立物理模拟试验台(如像美国的“铁鸟”试验台)。在试验台上进行测试实物仿真测试,完成了全机系统综合测试的同时实现了的软硬件功能测试。对于关键级程序要进行多次仿真,以保证确实没有差错,如对于无人机自主导航段程序,应多次设计不同的航路、航点并把不同航路航点的数据(经纬度、高度)装订给飞控计算机,进行多次半实物仿真,以测试该段软件的逻辑功能、航路解算、航路切入以及无人机舵面动作、油门动作等工作情况是否正确、合理。(4)飞行测试。飞行测试只有在全系统地面检查通过的条件下才能进行。因此,飞行测试前要对全系统进行全面的充分的检查,在全部的硬件和软件仿真测试中不能存在任何故障。此外在飞行测试前,应采用军工产品综合试验与评价等武器装备研制新策略方法,详细制定飞行测试计划和方案,尽可能验证所设计的无人机的所有飞行状态的控制规律、逻辑功能、逻辑时序、任务设备的工作性能,以减少飞行测试次数,从而减少无人机研制成本和风险。

  文档是一个软件产品的重要组成部分,高质量、完善的文档是保证软件质量的必要条件,是软件易于使用和维护的基础,也是目前很多软件开发过程中经常被忽视的部分。建立文档不是一个孤立的过程,它与软件开发各阶段是同步的。一方面,文档提供给与开发有关的所有部门及用户,作为开发部门之间以及与用户间的交流信息;另一方面,可用来进行项目进度的控制。在整个飞控软件寿命周期中,各种文档作为半成品或最终产品,会不断地生成、修改或补充。为了得到高质量的飞控软件产品,必须加强对飞控软件文档的管理。

  吸收用户参与

  飞控软件使用者(无人机使用方)的参与对飞控软件项目非常重要。通常的方法是在项目组中需要有用户方面的人员参与,特别在需求调研和需求分析阶段,需要用户的高度参与才能达到阶段的目标。在需求调研阶段,经常性地开需求讨论会,并要邀请用户参与。在需求审核阶段,更是需要得到用户的明确确认。在项目的后期,及早与用户沟通,对项目的验收、测试方法进行必要的准备。对某些未能按照用户要求完成的功能,必须及早与用户进行沟通,避免影响验收。

  结束语

  无人机装备软件质量对无人机装备的作用是毋庸置疑的,无人机装备飞控软件研制中存在的质量问题也是不容忽视的,如何科学地预防软件质量问题,提高质量水平已经是无人机装备飞控软件研制中的当务之急。


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