DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS

Átírás

1 ZRÍNYI MIKLÓS NEMZETVÉDELMI EGYETEM BOLYAI JÁNOS KATONAI MŰSZAKI KAR Katonai Műszaki Doktori Iskola Alapítva: 2002 évben Alapító: Prof. Solymosi József DSc. DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS Wührl Tibor Kisméretű pilóta nélküli repülőgépek biztonságtechnikája... tudományos témavezető Dr. Ványa László egyetemi docens 2007

2 Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék 2 Bevezetés 3 1. Jogi szabályozás, elvárt műszaki jellemzők Szabályozhatóság kérdése, követés-előremutatás Aktuális szabályozások Szabályozás tervezetek, tanulmányok Következtetések Rendszermodell, központi vezérlő hardver- és érzékelők, szenzorok redundanciája Rendszermodell Beépíthető alkatrészekre, elektronikai szerelésekre vonatkozó kritériumok Központi vezérlő kiesés valószínűsége, kiesés valószínűség csökkentés az áramköri struktúrával Melegtartalékolt rendszer (Hot standby) Terhelés megosztásban működő vezérlők (Load Sharing) Többség döntés elvén működő redundáns központi vezérlő Érzékelők, szenzorok redundanciája Elektromos tápellátás biztonsága Elektromos tápáram-felvételt csökkentő eljárások és azok hatása a megbízhatóságra Következtetések Algoritmus stabilitás Digitális jelfeldolgozás és a tervezés síkjai Visszacsatolt rendszerek klasszikus stabilitása Digitális számábrázolásból eredő túlcsordulási jelenségek Digitális számábrázolásból eredő kvantálási jelenségek (Granuláris nemlinearitások) Vészhelyzetet kezelő algoritmusok Szenzoradatok szűrése és hihetőség vizsgálat Szenzoradatok fúziója az UAV fedélzeten Létfontosságú mérési adatok hiánya, teoretikusan előre definiált problémák és azok kezelése Adaptív működés, öntanulás előre nem definiált problémák kezelése Következtetések Összegzés 112 Az értekezés új tudományos eredményei 113 Az értekezés ajánlásai 114 Mellékletek 115 Hivatkozott irodalom 117 Ábrák jegyzéke 124 Táblázatok jegyzéke 126 Rövidítések jegyzéke 127 Saját publikációk jegyzéke 128 2

3 Bevezetés Napjainkban egyre nagyobb szerepet játszanak azok a robotikai eszközök [52], amelyek alkalmazása csökkenti az emberi életet-, egészséget fenyegető kockázatokat úgy a katonai [49], [54], katasztrófavédelmi, mint a polgári alkalmazásokban [36], [93]. Robot-, vagy távirányítású eszközök bevetése olyan helyeken célszerű, ahol a körülmények az emberi életet, egészséget súlyosan veszélyeztetik, mint például a magas radioaktív sugárzási szint, vegyileg szennyezett terület, harctér, vagy ha az ember számára nehezen megközelíthető területen kell feladatot végrehajtani, stb. [36] [41] [52]. Természetesen ezen eszközök felhasználása rossz célzattal is történhet, ennek megakadályozására a jogalkotás teszi meg a szükséges lépéseket [11]. A pilóta nélküli repülők (UAV-k) 1 széleskörű, és elsősorban polgári alkalmazásának, elterjedésének elsőrendű, kiemelt fontosságú feltétele a konstrukciós és üzemeltetésbeli műszaki megbízhatóság, valamint a hibatűrő működés. Az UAV alkalmazások tekintetében számos új kutatási eredmény látott napvilágot [45], [46], [47], [48], [63], [91], [92], de amíg a felhasználó nem látja a biztonság beépített garanciáit, addig a piaci megjelenés kétséges, illetve egyenesen veszélyes lesz. Kutatásaim során a kisméretű pilóta nélküli repülő eszközök repülésének automatizálását biztosító robotpilóta, repülésbiztonsági kérdéseivel foglalkoztam. A kisméretű UAV-k esetén a méretkorlátok és a szállítható maximális tömeg szűk tervezési szabadságot biztosít az UAV-t építők, üzemeltetők számára [44], [55], [57], [58], [59]. Egy biztos, hogy a biztonságról lemondani semmi áron sem szabad, hiszen egy néhány kg tömegű, km/h sebességgel repülő UAV jelentős anyagi károkat okozhat, a lezuhanó, irányíthatatlan eszköz pedig emberéletet is veszélyeztethet, kiolthat. Magyarországon ezt egy nemrégiben bekövetkezett tragédia példája is alátámasztja [6]. Jelenleg hazai jogszabály nem kategorizálja a pilóta nélküli repülő eszközöket. Több nemzetközi tanulmány, ajánlás foglalkozik a besorolási kérdéssel, általában az ultrakönnyű géposztály alatt egy kategória jelenik meg [40-p22] CLASS0, melynek maximális felszállótömege nem haladhatja meg a 25 kg-ot. A 25 kg felszálló tömeg alatti tömegű repülő eszközök osztályozása szintén nem jogszabályi szinten, hanem az MMSZ (Magyar Modellező Szövetség) tagok számára kötelező érvényű rendeletben [14] létezik a modellrepülőgépek kategóriájában. [88] 2., valamint az MMSZ közreadja az úgynevezett Nemzetközi Repülő Szövetség Sportkódexét is [61]. 1 "Pilóta nélküli légi jármű" (Unmanned Aerial Vehicle, "UAV") (9): Minden olyan repülőeszköz, amely a fedélzeten mindennemű emberi jelenlét nélkül képes a repülés megkezdésére, valamint az irányított repülés és navigálás fenntartására. [1] 2 A 2004 évi I. törvény (Stv) felhatalmazza az adott sportágban működő szövetséget a sportfeladatok ellátására. [5] 3

4 Értekezésemben a CLASS 0 besorolást (mely jogi értelmezésben jelenleg nem hivatalos) vettem alapul, kutatásaim során ezt meghatározó paraméternek tekintettem. Kutatásaimtól olyan eredményeket várok, melyek a kisméretű UAV-k repülését biztonságosabbá teszik, és lehetőséget ad újabb a kor szelleméhez jobban illeszkedő repülést szabályozó jogszabályi környezet megteremtéséhez. Műszaki kutatásaim elsősorban a repülést szabályozó fedélzeti elektronika megbízhatóságára, a fedélzeti adatkezelő és szabályzó köri algoritmusok megbízhatóságára, az algoritmus stabilitásra és annak megbízhatósági egyenszilárdságára irányultak. Külön kutatási területnek definiálom a pilóta nélküli repülő eszközök sárkánytestére, hajtóművére [59] és egyéb mechanikai berendezéseire [85] vonatkozó megbízhatósági kérdések kutatását, mely jelen értekezés kereteibe nem fér bele. Kutatásaimon szintén túlmutat a repülésbiztonság nélkülözhetetlen részét képező földi irányítók, a kapcsolattartásért felelős rádiós összeköttetések és adatkommunikációs csatornák, valamint a repüléssel kapcsolatos eszközök, berendezések karbantartása. Kutatási célkitűzéseim három fontos irányelv szerint rendszereztem, így értekezésem három fejezetre osztottam. Kutatási célkitűzéseim az alábbiak voltak: 1. Célom volt feltárni, megfogalmazni és a jelenlegi jogszabályokból levezetni a kisméretű pilóta nélküli repülő eszközök műszaki kutatás-fejlesztési környezetét; 2. Célkitűzésem, megvizsgálni a redundáns elemekkel tervezett fedélzeti repülésirányító és szabályozó rendszer működési biztonságának növekedését, meghatározni annak optimumát. A hardver redundáns kialakításánál különös tekintettel kell figyelembe venni a kisméretű UAV felhasználást, mely esetén a felszálló tömeg maximum 25 kg; 3. Célom volt összegyűjteni és elemezni a repülésben használatos szabályozó algoritmusok digitális jelfeldolgozással történő megvalósítását, feltárni a megvalósítás során előálló problémákat, valamint a gyakorlatban használható megoldást adni ezen problémákra. Célom továbbá megfogalmazni a repülésbiztonsággal kapcsolatos algoritmus egyenszilárdság fogalmát és jellemzőit. Az értekezés felépítése Az első fejezetben áttekintettem a jelenlegi jogi szabályozást, a kisméretű UAV-k re vonatkozó, vagy vonatkoztatható jogszabályokat. A jogi környezet kutatásának célja az, hogy feltérképezzem a jelenlegi helyzetet, segítségével definiáljam a műszaki kutatás-fejlesztési környezetet és rámutassak a jogszabályi környezet módosításának, javításának lehetőségeire, a jelen és a jövő elvárásaival történő harmonizálásra. 4

5 A második fejezetben definiálok egy kisméretű UAV rendszermodellt, definíció szinten megadom a központi vezérlő, a fedélzeti szenzorok és az energiamenedzsmentre vonatkozó meghatározásokat és elvárásokat. A rendszermodell alapján megfogalmazom a beépíthető elektronikai alkatrészekre vonatkozó kritériumokat. Elméleti modellkísérlettel tanulmányozom a központi vezérlő kiesés valószínűségét és a működési biztonságot javító redundancia kérdését. A harmadik fejezetben a repülést szabályozó algoritmusok stabilitását kutatom. Kutatási célom ebben a fejezetben az, hogy rámutassak a kisméretű UAV szabályzó köri instabilitási pontokra és olyan eljárásokat adjak meg, melyekkel biztosíthatók a stabilitási elvárások. A hibatűrő és biztonságos működésű, kisméretű pilóta nélküli repülő eszközök kialakíthatósága érdekében hibakezelő és hibafelfedő algoritmusokat kutatok. Az értekezésben használt jelölésrendszer Irodalom, irodalom hivatkozások Az értekezésem elkészítése során hivatkozott irodalmakat a Hivatkozott irodalom című, nem sorszámozott fejezetben adom meg. Minden hivatkozott irodalmat szögletes zárójelek közé zárt sorszámmal jelölök, például [1]. Oldalszám szerinti hivatkozásnál szintén a kapcsos zárójeleket alkalmazom, de a zárójelben a feltüntetett irodalom sorszáma mellé kiegészítő információkat is teszek, melyeket kötőjellel választok el. Például az [1 - p45] hivatkozás azt jelenti, hogy az [1] irodalom 45. oldalán található a hivatkozott tartalom. Abban az esetben, ha az adott oldalon egy bekezdésre teszek hivatkozást, azt az oldalszámot követő / jelet követő számmal adom meg. Jogszabályi hivatkozásoknál az oldalszám helyett a bekezdésszámot jelzem, például [2-4]. A saját publikációim felsorolása külön fejezetben történik. Minden publikáció kapcsos zárójelben futó sorszámmal jelölt. Az elkülönülés céljából a saját publikációim a WT jelöléssel egészítem ki (például [WT1]). Matematikai összefüggések, levezetések Minden matematikai kifejezést, képletet, összefüggést kapcsos zárójelek közé zárt számmal jelölök. A számozás annak a fejezetnek (alfejezetnek) a sorszámával kezdődik, melyben az összefüggés definiált. A számozás második tagja futó sorszám, mely kötőjellel kapcsolódik az első taghoz. Például a { } a 2.3. alfejezetben a 2. összefüggés jelölésére szolgál. Az összefüggésekre a hivatkozásokat szintén ugyanezen formában teszem meg. 5

6 Ábrák és táblázatok Az értekezésben szereplő ábrák és táblázatok sorszámot kaptak. A sorszám itt is két tagból áll. Az első tag a fejezet, vagy alfejezet sorszáma, míg a második tag az adott fejezetben folyamatosan növekvő futó sorszám. A két tag szintén kötőjellel kapcsolódik. A sorszámot az ábra vagy a táblázat felirat követi. Az ábrák és a táblázatok külön, egymástól szeparáltan számozódnak. Az ábrák és sorszámok összefoglalását az Ábrák jegyzéke, Táblázatok jegyzéke sorszámozatlan fejezetben adom meg. Ugyanezen összefoglalóban tüntettem fel az ábrák és a táblázatok forrását is. Mellékletek, melléklet hivatkozások Az egyes számítások elvégzéséhez MATLAB m forrásprogramokat készítettem, melyek a mellékletben kaptak helyet, azért, hogy ezek ne zavarják az értekezés olvashatóságát. A mellékletre hivatkozást szintén szögletes zárójelben teszem meg, de a sorszámot M -el egészítettem ki. A melléklet azonosító szám a következőképpen épül fel: [M fejezet szám futó sorszám]. Például az [M2-1] azt jelenti, hogy a második fejezethez tartozó első melléklet. 6

7 1. Jogi szabályozás, elvárt műszaki jellemzők A jogi környezet kutatásának célja az volt, hogy feltérképezzem a kisméretű UAV-re vonatkozó jelenlegi jogszabályi helyzetet, segítségével definiáljam a műszaki kutatás-fejlesztési teret, rámutassak a jogszabályi környezet módosításának, javításának lehetőségeire, a jelen és a jövő elvárásaival történő harmonizálásra. A jogszabályi kutatásaim irodalomkutatással, valamint a repüléssel kapcsolatos jogi szabályozásban jártas szakemberekkel, jogászokkal, a Polgári Légiközlekedési Osztály szakembereivel folytatott konzultációkkal végeztem. Felkutattam és feldolgoztam továbbá olyan terveket, tanulmányokat, melyek az UAV kategorizálással, légiforgalmi rendszerbe integrálással és üzemeltetési kérdésekkel foglalkozik. A hazai jogszabályok áttekintésén kívül az EUROCONTROL3 specifikációit is tanulmányoztam [32], [76] Szabályozhatóság kérdése, követés-előremutatás A robotika fejlett eszközei között önálló csoportot alkotnak a pilóta nélkül repülő eszközök (Unmanned Aerial Vehicles UAV). A széleskörű felhasználásnak azonban korlátot szab a jogszabályi háttér. Állandó és aktuális kérdés az, hogy a műszaki megoldások, vagy a jogszabályi környezet marad-e le egymáshoz képest. Vitathatatlan tény, hogy a jogszabályoknak kényszerítő eszközöknek kell lenniük, melyek a jól bevált műszaki megoldások használatát írják elő és a jogszabályok betartása ezáltal szavatolja a biztonságos működést jelen esetben a biztonságos repülést csökkenti a balesetek előfordulásának valószínűségét. A jogszabályi környezet a fenti gondolatmenet szerint követő szabályozás, mely esetben a jogszabályt alkotónak arra kell figyelnie, hogy a szabályozás ne váljék a műszaki kutatás-fejlesztések kerékkötőjévé. A jogszabályokat tehát a kor szellemében és elvárásai szerint bizonyos időközönként aktualizálni kell! A jogszabályi környezet alakítása történhet úgy is, hogy az műszaki kutatás-fejlesztéseket gerjeszt, műszaki-kutatási feladatokat ír elő a szabályozás alá vont szakterületen. Ebben az esetben a műszaki kutatás-fejlesztések válnak időszakosan követővé, ekkor a jogszabály előremutató. 3 EUROCONTROL 36 tagállamot magába foglaló kormányközi szervezet, mely segít uniformizálni az európai légiforgalmi menedzsmentet. [94] 7

8 1.2. Aktuális szabályozások Az évi XCVII. Törvény a légiközlekedésről [2], többszörösen módosított [4], I. 28-tól hatályos változat 6. (5) pont kimondja, hogy: A légiközlekedési hatóság, az állami célú légi közlekedéssel összefüggő feladatok tekintetében a katonai légügyi hatóság engedélyével repülhet a magyar légtérben az a légi jármű, amely vezető nélküli repülésre alkalmas, továbbá a jogszabályban meghatározott repülőmodell, illetve repülőeszköz. [2]. A fenti meghatározás szerint tehát a polgári alkalmazású UAV kizárólag a légiközlekedési hatóság engedélyével repülhet [1] [9]. A jelenlegi jogszabályokból következik, hogy UAV repülés csak a kijelölt, zárt légtérben, engedéllyel történhet. A magyar légtér definíciót szintén az évi XCVII. Törvény [2 - második rész 4 1] adja meg a második rész, A magyar légtér fejezetében, miszerint: A magyar légtér az országhatár által körbezárt terület feletti légtérnek a légi közlekedés számára fizikailag igénybe vehető magasságig terjedő része. A törvény [2 Lt.5. ] a légtérfelosztást címszavakban adja meg: légi közlekedés által igénybe vehető légtér: o ellenőrzött légtér (légiforgalmi irányítás működik); o nem ellenőrzött légtér (repüléstájékoztató szolgálat igénybevételével a légi jármű vezető saját felelőségére közlekedik). légi közlekedés által korlátozottan igénybe vehető légtér: o korlátozott légtér; o időszakosan korlátozott légtér. veszélyes légtér; tiltott légtér; az a légtér, ahol a hangsebesség átléphető; az a légtér, ahol a légiforgalmi szolgálatokat (nemzetközi szerződés alapján) külföldi légiforgalmi szolgálati egysége látja el. A magyar légtér légi közlekedés céljára történő kijelölést az évi XCVII. törvény a május 10-én hatályba lépett 26/2007.(III.3.) GKM-HM-KvVM együttes rendeletére bízza [7]. A rendelet [7] definiálja az egyes légterekre jellemző paramétereket. A kisméretű UAV-k esetén a következő rendelkezések kiemelkedő jelentőséggel bírnak, bár a szabályozások nem az UAV-k működését írják le, de az érvényességi kör levezethető a pilóta nélküli repülő eszközökre: 8

9 A 26/2007.(III.3.) GKM-HM-KvVM együttes rendeletében [7. 1.számú melléklet] megadásra kerülnek a magyarországi légterek, köztük a tiltott légterek, melyeket a következő táblázatban foglaltam össze: LH-P1 Paks 3 km sugarú kör a ,050É ,560K középpont körül FL195 (5950 m STD) GND Atomerőmű. LH-P2 Csillebérc 0,5 km sugarú kör a ,140É ,860K középpont körül 3500 (1050 m) AMSL GND Kutató atomreaktor táblázat. Magyarország tiltott légterei A fentiekben megadott tiltott légterek UAV vonatkozásban speciális jelentőséggel bírhat, például katasztrófahelyzetben. Erre vonatkozó feloldó jogi szabályozás jelenleg nincs. UAV üzemeltetés szempontjából figyelemreméltó szabályozás a nem ellenőrzött légtér fogalom ahol mely a évi XCVII. Törvény értelmében (mit azt a Légi közlekedés által igénybe vehető légtér definícióban fent leírtam) repüléstájékoztató szolgálat igénybevételével a légi jármű vezető saját felelőségére közlekedik. A nem ellenőrzött légterek további meghatározása az [7] 26/2007.(III.3.) GKM-HM- KvVM együttes rendelet 1. számú mellékletében található. A nem ellenőrzött légterek osztályba sorolása F és G. Az F osztály 1200 m 2900 m magasságig terjedő nem ellenőrzött légtereket jelenti, amelyben műszeres repülés (IFR Instrument Flight Rules) és vizuális repülés (VFR Visual Flight Rules) is lehetséges. A repüléshez légiforgalmi irányító (ATC Air Traffic Control) engedély nem szükséges. Vizuális repülés esetén a látási viszonyokat 5 km vízszintes, valamint a felhőktől 1500 m vízszintes és 300 m függőleges távolságban adják meg. A G osztály az 1200 m magasságig terjedő nem ellenőrzött légtereket jelöli, ahol kizárólag a vizuális tájékozódás (VFR) használható. A vízszintes látásra 5 km, kis sebességű repülőgépek esetén 1500 m, helikopter és légballon számára pedig legalább 750 m távolságot írnak elő. A repülés a felhőkön kívül, a föld vagy vízfelszín látása mellett engedélyezett. A repüléshez légiforgalmi irányító (ATC) engedély nem szükséges. Az F és a G jelű légtérben a maximális megengedett repülési sebesség 460 km/h. Az F és a G osztály (bár ezt nem írja le a jogszabály) viszont nem alkalmas autonóm UAV üzemeltetésére, mert 1200 m magasságig ( G osztály) műszeres repülés (IFR) nem engedélyezett és bár autonóm UAV besorolás a jogszabályokban nem szerepel, de logikusan az 9

10 autonóm légi jármű repülési módja IFR alapú, mivel szenzorok mérési adatai alapján végzi a repülést. Az F osztály tekintetében ilyen megkötés nincs, itt VFR és IFR alapú repülésre is lehetőség van. Az IFR repülésre ugyanakkor találhatunk egy szigorító feltételt, miszerint az IFR repülés esetén a légi jármű és a Repülési tájékoztató között folyamatos kétirányú rádiós összeköttetés kialakítására kell lehetőséget biztosítani. A rádiós kapcsolat kialakítása még elképzelhető úgy, hogy az UAV-t üzemeltető földi bázis a műszerek és szenzorok adatait folyamatosan megkapja a küldetést teljesítő UAV-től (dedikált rádiós csatornán), majd a Repülés tájékoztató szolgálat és az UAV-t üzemeltető földi bázis áll a jogszabályban meghatározott folyamatos kétirányú rádiós kapcsolatban. Ezzel a jogértelmezéssel tételezzük fel, hogy legalizáljuk az UAV használatát az F osztályú nem ellenőrzött légtérben, de további kérdésként merül fel, miként jut legálisan az UAV az F osztályú légtérbe, mivel az 1200 m feletti magasságokban kezdődik. Kutatásaim során jogász szakemberek nem foglaltak hivatalos álláspontot abban a kérdésben, hogy az UAV fedélzetén üzemelő kamera kép, melyet az UAV a földi irányítójának közvetít valós időben, megfelel-e a VFR repülés kritériumainak. Abban az esetben, ha jogi szempontból az előző gondolatmenet helytálló volna, akkor is jelentős korlátozást jelentene az UAV alkalmazások tekintetében, ami elsősorban a kisméretű pilóta nélküli repülő eszközöket érinti. Sok hasznos civil alkalmazás éppen a kis repülési magasságokban üzemeltetett olcsó eszközöket várná el, melyek üzemletetése elsősorban a G osztályú nem ellenőrzött légtérbe esik. A jogszabályi környezetben mely a kisméretű pilóta nélküli repülőgépek vonatkozásában figyelemreméltó a évi XCVII. Törvény II. fejezet 20., mely, mint Különleges engedélyként deklarált, miszerint: repülő modellen, külön jogszabály alapján kiadott rádióengedély megléte esetén a légiközlekedési hatóságnak a hírközlési hatósággal egyetértésben kiadott engedélyével és feltételeivel tartható üzemben. [2 20. ] A biztonságos repülés és UAV üzemeltetésen túl az UAV felhasználását is érintik a jelenlegi jogszabályok. Kisméretű UAV-k esetén gyakori igényként merül fel a megfigyelés (például erdőtüzek [18]). Az évi XCVII. Törvény a légiközlekedésről [2 20. (3)], kimondja ugyan nem pilóta nélküli repülőgépekre, hanem polgári légi járművekre, hogy mérőkamerás fénykép vagy képrögzítő felvétel készítéséhez, távérzékeléshez, felvétel vagy adat közzétételéhez jogszabályban meghatározott engedély szükséges. A jelenlegi jogszabályok tehát nem segítik elő a pilóta nélküli repülőgépek széles körű elterjedését, azok békeidőben történő rendszeres polgári alkalmazását. Az UAV-k polgári alkalmazásához tehát mindenképpen jogszabályi változás (jogszabályi kiegészítés) szükséges. Megállapítom, hogy a jogszabályi változásnak nem megengedőnek, 10

11 hanem következetes szigorral átláthatónak kell lennie. Az átláthatóságot az engedélyezési eljárásoknak egyeneságúsága biztosíthatja. A továbbiakban azon műszaki feltételek (jogszabályok által meghatározott) áttekintése szükséges, melyek a jelenleg alkalmazható légi járművek esetén kötelező érvényűek. Abban az esetben, ha a jelenleg hatályos jogszabályi előírásoknak a műszaki előírások vonatkozásában a pilóta nélküli repülő eszközök maradéktalanul megfelelnek, akkor nyílik esély azon jogszabályi változtatásokra melyek már megteremtik az UAV-k rendszeres alkalmazását. Magyarország légtérhasználatát, a légtér igénybevételének feltételeit, a légiközlekedésre vonatkozó követelményeket jogszabályi háttér adja meg, melyek néhány részletét már az előzőekben megfogalmaztam [1], [2], [3], [8], [9]. A továbbiakban a légtérhasználatra vonatkozó előírásokat a műszaki elvárások szempontjából vizsgálom. Célom olyan műszaki paraméterek meghatározása, jogszabályokból történő kikövetkeztetése, melyek a műszaki kutatásoknak adnak irányvonalat. Az időszakosan elkülönített légterek (TSA - Temporary Segregated Area), azok melyeket például katonai feladatok végrehajtására jelölnek ki [42]. Jelenlegi gyakorlat szerint az UAV-k alkalmazása ezen légterekben valósítható meg. TSA-k olyan légterek, melyeket a bennük folyó (általában katonai) tevékenység miatt ideiglenesen el kell különíteni, a tevékenységben részt nem vevő légi járművek számára nem használhatóak, zárt légtérnek minősülnek [42]. Az elkülönített légtérben a légi forgalom biztonságáért a légi forgalmi irányító szolgálat a felelős. Használatát pontos szabályok definiálják [42]. Az időszakos elkülönítés oka lehet például polgári- katonai kiképzés, berepülés stb., mely tevékenységek kiszámíthatatlan manőverekkel járhatnak. Az elkülönítést igényelni kell. Tevékenység körül buffer zóna kerül kialakításra, melyek irányítása megosztott, annak egyik felét katonai, másik felét a polgári irányító biztosítja. A TSA-t igénybe vevő UAV-val szemben támasztott követelmény tehát az, hogy az UAV semmilyen körülmények között ne lépjen ki az elkülönített légtérből. Elvárás továbbá az, hogy még hiba esetén se érje el a buffer zóna azon részét, amelyet már polgári irányító biztosít. Nagyobb műszaki megfelelőséggel kapcsolatos elvárásokkal találjuk magunkat szemben abban az esetben, ha a repülést nem elkülönített légtérben kívánjuk lebonyolítani. A légiforgalmi jármű műszereire és a fedélzeti berendezésekre vonatkozó minimális műszaki előírásoknak kell megfelelni, melyet a Joint Technical Standard Orders [3] határozza meg. A minimálisan szükséges előírt műszerek: mágneses iránytű; pontos időt mutató óra (órák, percek és másodpercek megjelenítésével); 11

12 két vagy három mutatós barometrikus magasságmérő; sebességmérő; variométer; elfordulás és csúszásjelző; műhorizont; pörgettyűs iránytű. A repüléshez megfelelő térképek és táblázatok szükségesek [ref.: JAR-OPS a) (9)]; [3]. A csökkentett függőleges elkülönítésű légterekben (RVSM Reduced Vertical Separation Minima) a repülő eszközöknek további, a minimális elvárásokon túlmutató követelményeknek kell megfelelniük. Az RVSM-et speciális minősített légtérnek kell tekinteni, igénybevételéhez a légiközlekedési hatóság jóváhagyása szükséges. Az RVSM sajátosságából adódóan kiemelt fontosságú a nagy pontosságú magasságtartás. A magasságtartási hibák, melyek már nem elfogadhatóak: ± 90 m vagy annál nagyobb (TVE); ± 75 m vagy annál nagyobb (ASE); ± 90 m vagy annál nagyobb egyéb eltérés [3]. A fenti szigorú előírások miatt a légi járművön legalább kettő darab elsődleges magasságmérő rendszernek kell működnie, de ezen felül egy automata magasság vezérlőnek és egy magasság figyelmeztető berendezésnek is helyet kell adni [3]. A felszállást megelőzően a magasságmérőket ellenőrizni kell, az ellenőrzés módját jogszabály definiálja. Regionális megállapodás alapján a közeljövőben a magasság vezérlő berendezés tekintetében kettőzött berendezések használatának előírása várható [3]. Repülés során a magasságmérők keresztellenőrzését rendszeresen (jogszabályi előírás szerint óránkénti gyakorisággal) kell megtenni. Keresztellenőrzéskor, ha az eltérés mértéke eléri, vagy meghaladja a ± 60 m-t, akkor magasságmérő hibát kell feltételezni. Magasságmérő hiba esetén azonnal értesíteni kell a Légiforgalmi Irányító Szolgálatot (ATC). A jogszabályi előírások a kényszerhelyzeti előírásokat is meghatározzák az RVSM légtérben. Az ATC-t tehát minden alábbi esemény bekövetkeztekor értesíteni kell: hiba a fedélzeti automata magasságvezérlő rendszerben; magasságmérő rendszerben redundancia csökkenés; tolóerő csökkenés, mely kényszersüllyedést eredményez; bármely egyéb hiba, mely a magasság tartását veszélyezteti; turbulenciába kerülés (jogszabályi definíció szerint közepesnél nagyobb turbulencia esetén). 12

13 Ha a fenti esetekben nem sikerül a kapcsolatfelvétel az ATC-vel, akkor természetesen az adott magasság elhagyásához szükséges engedély megkérése, így annak jóváhagyása nem lehetséges. Ezen esetben az előre kidolgozott kényszerhelyzeti eljárás szerint kell cselekedni. Az Észak-Atlanti Minimum Navigációs Teljesítmény Specifikációs (MNPS) légtér számára mely légtérben RVSM üzem folyik 1997 óta további útmutatás (elsősorban Állami Jóváhagyó Hatóságok számára) található a NAT 001 T13/NB.5 számú ICAO dokumentumban, átfogó üzemeltetési útmutató pedig (mely elsősorban a légi jármű üzemben tartókat célozza meg), az Észak-Atlanti MNPS Légtér üzemeltetési Kézikönyvben. Európai RVSM légtérre vonatkozó és üzemeltetési kérdésekkel foglalkozó átfogó útmutató található az ASM ET1.ST.5000 számú EUROCONTROL Dokumentumban, melynek címe: Csökkentett Függőleges Elkülönítés (RVSM) Európában. ATC Kézikönyv. [3] A fentiek alapján megállapítom, hogy az UAV-k fedélzetén helyet kell kapnia legalább kettő magasságmérő eszköznek, sebességmérőnek, iránytűnek, elfordulás és csúszásjelzőnek, valamint egy műhorizontnak, illetve ezen fizikai paraméterek mérésére alkalmas ekvivalens eszköznek. A kisméretű UAV-k viszonylag alacsony repülési sebessége miatt (mely összemérhető a nem extrém időjárási viszonyok esetén előforduló szél sebességgel) a repülési sebességet a közeghez (levegőhöz) viszonyítottan kell mérni, vagyis elsődleges sebesség adat például pitot csöves sebességmérő szolgáltathatja. Természetesen a tájékozódáshoz vagy elektronikus térképnek, vagy több kijelölt alternatív útvonalnak kell a fedélzeten rendelkezésre állnia, valamint a pillanatnyi helyzet meghatározáshoz elengedhetetlen GPS vevő alkalmazása. Azon eszközöket, melyek a repülési feladat végrehajtásához nélkülözhetetlenek, minden esetben legalább duplikálni kell. Az UAV fedélzetére telepített mérőeszközöknek és azok megbízhatóságának meg kell egyezniük az ember által vezetett légi-járművekre telepítettekkel. Redundanciaként figyelembe vehető azonban az egyes mérőeszközök által nyújtott többletinformáció, például GPS vevő által szolgáltatott magasság érték is, valamint a bizonyos időközönként meghatározott pozíciókból számolható a sebesség is. A GPS koordinátákból számított sebességnek és az elődleges sebességmérő szenzor által mért sebességnek korrelálnia kell (normál működés esetén az eltérés, mérési hibából, és a szél sebességéből adódhat), ellenkező esetben szenzor meghibásodásra következtethetünk. Az érzékelők, szenzorok és jeladók által szolgáltatott adatokat folyamatos kereszt ellenőrzés alá kell vetni, az ellenőrzés UAV esetében természetesen a robot, vagyis a központi vezérlőáramkör feladata. Eltérés detektálása esetén (ha az egy előre definiált határértéken túlmutat), a vezérlőben vészhelyzetet kezelő algoritmusnak kell élesedni. A vészhelyzeti algoritmusok az UAV-k központi vezérlője által futtatott program, mely futtatása tehát vészhelyzetben indokolt. Az ember által vezetett légi járművek repülése közben 13

14 hiba esetén az úgynevezett előre kidolgozott kényszerhelyzeti eljárásokat kell alkalmazni. Az UAV fedélzetén elindított vészhelyzeti algoritmusokat a kényszerhelyzeti eljárások analógiájára lehet megtervezni Szabályozás tervezetek, tanulmányok Az EUROCONTROL jelentős kutatásokat végez és végzett a pilóta nélküli repülőeszközök rendszerbe állíthatóságával kapcsolatban [32]. Az EUROCONTROL, mint szervezet nevéhez több sikeres projektet záró munkacsoport alakítása fűződik, melyek az UAV felhasználást és szabályozási környezetet vizsgálták és vizsgálják napjainkban is. Az UAV-k kategorizálása nélkül jogszabály nem alkotható. A kategorizálás elképzelése munka- és kutató csoportonként egymástól kis mértékben eltérő lehet, de megállapítható, hogy a szakma a fontosabb irányelvekben egyetért és a tervezett osztálybasorolások korrelálnak az ember által vezetett repülő eszközök kategorizálásával: UAV osztály Maximális felszálló tömeg (TOW) Hatótávolság kategória Tipikus feladatvégrehajtási sugár Maximális repülési magasság Class 0 25 kg alatt Közeli hatótávolságú Class kg Rövid hatótávolságú Class kg Közepes hatótávolságú Class kg felett Hosszú hatótávolságú 10 nmi 4 alatt 1000 ft nmi ft nmi ft 500 nmi felett ft felett táblázat. UAV kategória besorolás felszálló tömeg alapján [40. p22 T3-1] Megállapítható, és ezt tanulmányokban a tématerülettel foglalkozó kutatók és szakemberek is megerősítik hogy az elmúlt években az UAV-k katonai alkalmazása terén jelentős sikereket és jelentős fejlődési eredményeket mutatott fel, ugyanakkor a civil alkalmazások terén a fejlődés visszafogott, jelentős áttörés még nem történt meg. [40 p2] Az áttörés annak ellenére nem történt meg, hogy a civil UAV alkalmazások, alkalmazhatóság igen széles spektrumot fednek le, például: 4 nmi nautical miles, 1 nmi = 1852 m 5 ft foot, 1 ft = 0,3048 m 14

15 környezetvédelem, környezeti szennyezések felderítése; katasztrófa sújtotta területek felmérése; időjárás monitorozás; tüzek (például erdőtüzek) felderítése; határvédelem; kritikus infrastruktúrák biztonsági felügyelete; telekommunikációs ideiglenes átjátszók (relé állomások) gyors kialakítása. Az áttörés elmaradásának okát a szakma két pontban adja meg [40 p2]: az UAV engedélyezési eljárások nem tisztázottak, szabályozás nem definiálja azt; a légi irányítás (ATM) szabályozások és folyamatok civil UAV-s békeidős alkalmazások terén nem kidolgozottak Következtetések Ebben a fejezetben megvizsgáltam a jelenleg érvényes jogi környezetet, mely a repülő eszközök használatát, a légtér jogszerű igénybevételét definiálja. Konkrét pilóta nélküli repülő eszközre vonatkozó jogszabály, vagy repülést szabályozó jogszabály paragrafus jelenleg nincs, vagy az csak érintőleges jellegű. Kutatásaim vezérfonalát egy IABG 6 tanulmányban besorolt CLASS 0 UAV osztály adta [40]. A CLASS 0 [40 p21] osztály (25 kg felszálló-tömeg alatti repülő eszközök) kamerával, infra/hő kamerával és egyéb fedélzeti szenzorral a jelenlegi civil békeidős alkalmazási igények túlnyomó részét kiszolgálná. A CLASS 0 géposztály jelenleg jogi értelmezés szerint modell kategóriaként kezelt, bár a szakma hangjai ezt elutasítják [38] jogosan. A jogszabályok értelmezése alapján megállapítottam, hogy a kisméretű UAV-k a nem ellenőrzött légtérben csak korlátozottan (jelentős képesség korlátozással) üzemeltethetők, engedélyeztetési procedúra nélkül. Jobb alkalmazhatósági környezetet biztosít az időszakosan erre a célra elkülönített légtér (TSA). A TSA igényléstől az engedély kiadásáig több nap is eltelik, ami az UAV felhasználást, elsősorban a gyors bevethetőséget gátolja. Az [2] további rendelkezései alapján megállapítható, hogy az UAV használatához további feltételeknek is teljesülniük kell: Lt. 20. (1) A polgári légi járművön, repülőmodellen, valamint a légi közlekedési tevékenység és légi közlekedéssel összefüggő tevékenység során rádióberendezés a 6 IABG Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft mbh, Ottobrunn Németország; 1961-ben alapított, jelenleg szimulációs és teszt centrum 15

16 légiközlekedési hatóságnak a hírközlési hatósággal egyetértésben kiadott engedélyével és feltételeivel tartható üzemben. (3) Polgári légi járműből mérőkamerás fénykép vagy képrögzítő felvétel készítéséhez, távérzékeléshez, felvétel vagy adat közzétételéhez, illetve kereskedelmi célú felhasználásához jogszabályban meghatározott engedély szükséges. Megállapítom továbbá, hogy a néhány kilogramm felszálló tömegű repülőgép nagyon veszélyes üzem, vagyis az alkalmazók felelősség vállalása akkor lesz ésszerű, ha kimondható ezen eszközök elvárt biztonsága. Jelenleg ezen terület szabályozatlansága az elvárt biztonságot nem definiálja, így az alkalmazó esetén nem definiálható az elvárt gondosság fogalma sem. Kutatásaim ezen fázisában a jogszabályi háttér áttekintésének eredményeképpen, analógiák alapján meghatároztam a kisméretű UAV-k kutatás fejlesztésének azon irányvonalát, melyek betartásával az UAV-k a jövőben Légialkalmassági Bizonyítványt kaphatnak, így használatuk nemcsak kizárólag elkülönített légtérben lesz elképzelhető. Megállapítom, hogy a jogalkotásban jelentős elmaradások és szabályozatlan területek vannak, kiemelten a kisméretű (CLASS 0), UAV-k tekintetében. A szabályozatlanság jogi félreértelmezésre ad lehetőséget, így a kisméretű UAV-k, modell repülőgép értelmezése bizonyos tekintetben engedély nélküli felhasználást és alkalmazást jelenthet, minden biztonsági eszköz alkalmazása nélkül, vagyis az alkalmazás a személyes felelősségtudatra épül. Ez a helyzet visszatartó erő a civil professzionális alkalmazások tekintetében és ugyanakkor zöld út a civil-barkács felhasználás terén. A fenti okokból a jogalkotóknak mihamarabb pontos és átlátható szabályokat kell hozniuk, melyek a kisméretű pilóta nélküli repülő eszközökre és azok üzemeltetésére vonatkozik és támogatja a CLASS 0 besorolás szerinti eszközök alkalmazhatóságát. A jogszabályban a pilóta nélküli repülőket méretük, motorteljesítményük, hatótávolságuk és megengedett maximális felszálló-tömeg szerint jogilag is egyértelműen kategorizálni kell. Az ember vezette ultrakönnyű géposztály és az e fölötti repülők esetén a kategorizálást UAV-k esetén is meg lehet tartani, valamint célszerű az IABG ajánlását [40 p22] figyelembe venni, de a jogszabályban ezen géposztályok rendszeresítését, rendszeres általános alkalmazását átmenetileg tiltani kell. A békeidőbeli alkalmazást egyedi elbírálás alapján kizárólag zárt légtérben, időkorlátosan javaslom engedélyezni (mint az a jelenlegi érvényes jogszabályokból is levezethető). A felelősség súlya miatt folyamatos jogszabályi alakítás mellett javaslom az átmeneti tiltások fokozatos feloldását. A tiltási javaslatom (mely a CLASS 0-t nem érinti) indokai a következők: Jelenleg nincs akkora technikai tapasztalat, ami alapján általános, a műszaki elvárásokkal és az üzemeltetéssel kapcsolatos átlátható jogszabályokat lehetne alkotni. Továbbá nem lenne 16

17 szerencsés az úttörő szerepvállalás (jelentős eltérés az Európai szabályozástól [33][34]) ezen a területen, mert ebben az esetben kísérleti országgá válnánk. A kísérletek eredményeképpen megnövekedne a légi balesetek száma, ami feltétlen kerülendő. Az ultrakönnyű géposztály alatti kategóriára az IABG ajánlás szerinti CLASS0 kategória [40 p22] további felosztására a következő javaslatot teszem: mikro UAV (1 kg 25 kg); nano UAV (100 g 1 kg); piko UAV (100 g alatt). A jogszabályalkotás a fent javasolt osztályokra magassági- és hatótávolsági korlátozást is megszabhat. A jogszabályi előírások további paramétereket határoznak meg, például a sárkánytestre és a hajtóműre (hajtóművekre) vonatkozóan, valamint az üzemben tartás, a földi kiszolgálás is pontosan definiált. Ezen jellemzők természetesen szintén alapfeltételei a biztonságos repülésnek, de ez a kérdéskör túlmutat a jelenlegi kutatásaimon. 17

18 2. Rendszermodell, központi vezérlő hardver- és érzékelők, szenzorok redundanciája A fedélzeti elektronika megbízhatóságával kapcsolatos kutatásaimat egy komplex kisméretű UAV rendszermodell vázlat alapján folytattam. A rendszermodellt a kutatás különböző fázisaiban módosítottam, finomítottam, valamint a kutatott részegységet kiemeltem a rendszermodellből. A kutatásom elsősorban a folyamatos irodalomkutatáson, szimulációkon, valamint valószínűségi számítási modelleken alapszik. A kutatások tárgyát a kisméretű UAV fedélzeti repülés irányító áramkörök megbízhatósága képezte. A kutatás gyakorlati célja az volt, hogy felfedjem, és megoldást ajánljak azon kritikus UAV fedélzeti áramköröket érintő pontokra, melyek veszélyeztetik a kisméretű UAV-k repülésbiztonságát. Az irodalomkutatások során több, az elektronikai megbízhatósággal foglalkozó irodalmat tekintettem át [15], [16], [17], [31], [53], [74], [51] amelyeket adaptáltam az általam kutatott területre Rendszermodell Az adott pillanatban elvárt repülési adatok (jelen esetben az UAV robotpilóta utasításai), mint az adott pillanatban aktuális alapjel, a szenzoroktól érkező jelek, valamint az ezeket feldolgozó digitális jelfeldolgozó áramkör egy többszörösen visszacsatolt rendszert alkotnak ( ábra) ábra. Kisméretű UAV, mint többszörösen visszacsatolt rendszer 18

19 A szenzoroktól érkező mérési eredmények szolgáltatják a visszacsatolást. A ábrán látható egyszerűsített rendszermodell értelmében a repülés stabilitásáról a repülés szabályzó körök gondoskodnak, mely digitális jelfeldolgozó áramkörök (DSP) esetén a működéshez f m1 mintavételi frekvenciát feltételezek. A stabilis repülés feltételeinek megteremtését követően a repülés szabályzó körök alapjelére kihatással levő robotpilótát definiálom, mely a pillanatnyi döntéseket a rögzített feladat, és a szenzor mérési adatok (elsősorban pozíció koordináták) alapján hozza meg. A robotpilóta kialakítása szintén digitális jelfeldolgozó áramkörökkel valósulhat meg, melynek mintavételi frekvenciája (f m2 ) eltérhet a repülés szabályzó kör mintavételi frekvenciájától (f m1 ). A különböző mintavételi frekvenciával működő jelfeldolgozó áramkörök szinkronizálása decimálással, vagy interpolálással oldható meg. A ábrán látható egyszerűsített rendszermodell elsősorban a visszacsatolt rendszer stabilitás problémáit hivatott szemléltetni és nem a megvalósíthatóságot definiálja. Szabályozástechnikai szempontból a ábránál szemléletesebb képet kapunk, ha az UAV-t szabályozott szakasz, és szabályozó egységként értelmezzük. Ezt a modellt a ábrán adom meg ábra. Kisméretű UAV, szabályozott szakasz és szabályozó A ábra szerinti megvalósíthatósági rendszermodell ugyanakkor elsősorban nem a visszacsatolt rendszert szemlélteti, hanem azzal az egyes építőelemek kapcsolatát tudom vele feltárni, így az építőelemek kapcsolódása révén kimutathatom a rendszer gyenge, redundáns építő elemekkel megerősítendő részeit. A megbízhatósági- és stabilitási vizsgálatokat komplex rendszermodell szemlélettel hajtottam végre. Kutatásaim során a megalkotott modelleket komplexen kezeltem, és belőlük vezettem le a vizsgált paraméterre jellemző részletesebb modellt. Az algoritmusok struktúráját szintén rendszermodell szinten kezeltem. 19

20 ábra. Kisméretű UAV, hardver struktúra (megvalósíthatósági rendszermodell) A jelfeldolgozó algoritmusok leírása és modellezése történhet az időtartományban, valamint a komplex frekvencia tartományban is. Mintavételes rendszerek esetén rendszer leírás a periodikussá vált s síkon, valamint a z síkon, vagy a bilineáris transzformációval a periodicitás kiküszöbölés a w síkon történik. Az algoritmusok leírását és az algoritmusok tárgyalására alkalmas további rendszermodell alapokat a 3. fejezetben ismertetem Beépíthető alkatrészekre, elektronikai szerelésekre vonatkozó kritériumok A kisméretű pilóta nélküli repülő eszköz fedélzetén elhelyezett elektronikai alkatrészek, szenzorok stabil működése az alkalmazás függvényében akár szélsőséges környezeti körülmények között is elvárt. Természetesen ez a megállapítás a mechanikai alkatrészekre, beavatkozó szervekre, hajtóműre ugyanúgy igaz, de ezek vizsgálata jelen értekezésen túlmutat. Az elektronikát (központi vezérlőt - jelfeldolgozó áramkört, elektromos tápellátást biztosító eszközöket) alkotó elemekre több, a működés folytonosságát biztosító kritériumot kell megfogalmazni [51]: működési hőmérséklet tartomány; az egyes alkatrészek hő disszipációja; működési feszültség tartomány; 20

21 elektromágneses zavarállóság, illetve zavarkibocsátás (vagyis elektromágneses kompatibilitás EMC); biztosított működési feltételek esetén elfogadható meghibásodási statisztikai adat (MTBF, MTTF); rázásállóság; elfogadható mechanikai gyorsulást bíró képesség. A CHIP gyártók katalógusokban adják meg a CHIP-ekre vonatkozó jellemzőket, elvárt működési tartományokat (működési tápfeszültség-, hőmérséklet- és pára tartományt). Általában a programozható eszközök mikroprocesszorok, mikrovezérlők és jelfeldolgozó processzorok több változatban készülnek. A szilícium lapka kialakítása megegyező, csak a tokozás, valamint a tokozáson belüli hozzávezetés kialakítások eltérőek. A magasabb műszaki- és rendelkezésre állási elvárásoknak megfelelő építőelemeket külön osztályokba sorolják és azt a gyártóra jellemző betűkóddal a tokozáson jelölik [68], például: ipari Industrial (I); gépjármű iparban használatos Automotive (A); hadiipari alkalmazású Military (MI). A kiemelt, nagyobb műszaki elvárásoknak megfelelő CHIP-ek szélesebb működési hőmérséklettartományban képesek a hibamentes működésre az általános (Commercial) kialakításúakhoz képest. Napjainkban a CHIP gyártás során a tesztelés a gyártó sor végén automatizáltan megoldott, a tesztfolyamatokat gondosan előkészített szabályozások rögzítik [70]. Az egyes folyamatokat és azok szabályozását független auditor cégek látják el. A gyártás végén történő tesztek a gyártási hibákat hivatottak kimutatni és a CHIP tervezési problémáira nem derítenek fényt. A tervezés utáni CHIP prototípusokat gondos teszt alá vetik, majd a sikeresnek minősített tesztelés után indul el a nagysorozatú gyártás. A nagy bonyolultságú áramkörök esetén számos hiba, esetleg a katalóguslap leírásához képesti működésbeli eltérés marad a CHIP-ben. Az erre vonatkozó javítások és korrekciók a hiba súlyosságának függvényében néhány hónap, esetleg év elteltével várhatóak. A hibákról a gyártó kiegészítő adatlapokat bocsát ki, melyeket a gyártói honlapon tesz közzé [27], [28], [29], [30]. Esettanulmány keretei közt áttekintettem egy mikrovezérlő áramkör CHIP fejlődés történetét. Az esettanulmányra kiszemelt CHIP MCS-51 kompatibilis magra épül, Harvard architektúrájú, beépített program- (16 kbyte Flash), és adatmemóriával (256 byte + 1 kbyte SRAM) rendelkezik. A gyártói honlapon 7 az A2 [27], A

22 [28] és A5 [29] CHIP revízió követhető végig. Az esettanulmányban szereplő CHIP hibák kétféleképpen osztályozhatók: áramkörgyártási folyamatra kihatással lévő hibák; működésre kihatással lévő hibák. Az első hibakategóriába azokat a hibákat sorolom, melyek a CHIP-be történő szoftver betöltés során bírnak jelentőséggel, valamint a CHIP-ek klónozhatóságát (illetéktelen szoftver másolatok készítését) teszik lehetővé. Természetesen ezen hibák figyelemmel kísérése sem elhanyagolható, de ezek a hibák nem veszélyeztetik az áramkör helyes működését. A második hibakategóriába eső hibák, a kiadott katalóguslaptól eltérő, általában hibás működést jelentenek. Ilyenek lehetnek: bizonyos utasítások helytelen működése, például az adott utasítás esetén a jelzőbitek nem megfelelő beállása, hibás utasítás végrehajtása stb.; bizonyos belső perifériák helytelen, a katalógusban megadott paraméterektől történő eltérése. Ezen kategóriájú hibák esetén a hiba nem magától értetődő, hanem csak bizonyos feltételek fennállása esetén következik be! Ez kiemelt veszélyforrása a stabilis működésnek! Létezik ugyanakkor az első két hibakategória halmaz metszete is (harmadik hibakategória), vagyis előfordulhatnak olyan hibák is, ami a gyártás (szoftver betöltés) módja szerint változóan kihat egyes utasítások helyes működésre. A szoftver betöltés, valamint a program titkosítási szintek beállítása többféle módon történhet. A szoftver betöltések közül a legismertebb eljárás a parallel programozás, valamint az áramkörbe ültetett CHIP soros interfészen történő programozása (in-circuit programozás). Az esettanulmányban szereplő CHIP (DS89C430) A2-es revíziójában a gyártó öt hibát rögzített [27]. A hibákat a következő táblázatban adom közre, melyeket a lefektetett irányelveknek megfelelően kategorizáltam: A2 revízió Első kategóriába tartozó hiba Második kategóriába tartozó hiba Harmadik kategóriába tartozó hiba Hiba darabszám: 1 db 2 db 2 db táblázat. DS89C430-A2 CHIP hiba darabszáma Az első kategóriába eső hiba nem veszélyezteti az áramkör helyes működését [27-p2/5], a program titkosítása sérülhet az azt beállító bitek (Lock Bit) hibás működése miatt. A gyártó 22

23 javaslata szerint, ha a belső Flash memóriába elhelyezett programot védeni kívánjuk, akkor a katalóguslap [25 - p22] ajánlásával ellentétben a 4-es védelmi szintet programozzuk. Az A2 CHIP revízióban a második hibakategóriába tartozó hibából kettő fordul elő. Az első [27-p1/2] ilyen, az alaphelyzetbe állító (RESET) áramkör hibája. Abban az esetben, ha a CTM konfigurációs bitet logikai 1 be állítjuk (órajel szorzás engedélyezés), akkor a 0,4 < Vcc < Vrst feltételek teljesülése esetén a CHIP alaphelyzetbe állító (RESET) áramköre nem működik. Abban az esetben, ha a kristályfrekvencia szorzást 2x vagy 4x módra állítjuk, akkor a fent említett kritikus hiba előáll. A gyártó a következő módot javasolja a hiba elkerülésére [27-p1/2]: Az oszcillátor frekvencia szorzás bekapcsolását megelőzően engedélyezni kell a powerfail megszakítást (ezt az EPFI bit 1 -re állításával tehetjük meg, az EPFI bit a WDCON regiszter 5. bitje [25 - p17]). A power-fail megszakítás vektor címre [25 - p36], ami 0033h (megszakítást kezelő kiszolgáló rutin kezdőcíme), el kell helyeznünk a kristályfrekvencia szorzását tiltó utasítást (PMR regiszter 7. bitjét 1 -be kell állítani). Mivel a PMR regiszter nem bitcímezhető, ezért ezt maszkolással (jelen esetben logikai VAGY művelettel ORL PMR,#80h) végezhetjük el. A gyártó ajánlása a továbbiakban az, ha a program írója nem készít saját power-fail eseménykezelő rutint, akkor a következő utasításban egy végtelen ciklust kell kialakítani (ez egy feltétel nélküli ugró utasítás, ami saját magára mutat, például SJMP 0feh). A végtelen ciklusban történő program megakasztás nem okoz gondot, ha a tápfeszültség esés eléri a Vrst értéket, mert ekkor a CHIP alaphelyzetbe állás megtörténik. A megoldás veszélye abban áll, ha a RESET feltétel nem teljesül, ekkor ugyanis a mikrovezérlő a végtelen ciklusban marad. Ezt a problémakört a CHIP gyártó nem tárgyalja. A fenti (kis valószínűséggel előálló) probléma elkerülésére a következő megoldást dolgoztam ki: 1. A fenti pontokon túl engedélyeznünk kell a mikrovezérlő Watch-Dog TIMER-ét. 2. A Watch-Dog törlést úgy kell megvalósítanunk, hogy a törlés esemény maradjon el a power-fail megszakítást kiszolgáló rutin futása esetén. Ez úgy érhető el, hogy a Watch- Dog törlő utasítást a háttérprogramba, vagy a power-fail megszakítás rutinnál alacsonyabb prioritású megszakításkezelő programba helyezzük. A fenti CHIP hiba tehát kezelhető, de ennek a gondos tesztelése elengedhetetlen. Célszerű az ilyen esetekben a hibás működést kiváltó okot kerülni, vagyis, ha nem szükséges, akkor a kristályfrekvencia szorzását ne használjuk! Szintén az A2 CHIP revízióban előforduló második hibakategóriába tartozó hiba a MOVC utasítás hibája [27 - p1/3]. A MOVC utasítás a program memória területről teszi 23

24 lehetővé az adat mozgatást. Segítségével a programmemóriából előre elkészített adattáblázatok konstans értékeit olvashatjuk. A CHIP hibalista szerint ez az utasítás típus MOVC A,@A+DPTR, valamint a MOVC A,@A+PC kizárólag belső programmemóriából működik helyesen. Ennek a ténynek az ismerete szintén kiemelt fontosságú, mert abban az esetben, ha külső programmemóriába helyezünk ilyen utasítást, akkor annak nem működése azt fogja eredményezni, hogy az A regiszterbe nem a várt érték lesz, hanem valamilyen véletlen adat. A továbbiakban a programunk ezzel az értékkel fog dolgozni, ami hibás működést fog eredményezni. A hiba elkerülése ebben az esetben is megoldható. Célszerűen a mikrovezérlőhöz egyáltalán ne illesszünk külső programmemóriát. Abban az esetben, ha a DS89C430 által nyújtott 16 kbyte belső Flash nem bizonyul elegendőnek, akkor az alkalmazásban használjuk a DS89C450, amely 64 kbyte programmemóriát tartalmaz [25 - p1] és teljes mértékben kompatibilis az előzőekben tárgyalt, esettanulmány alá vett CHIP-pel. A besorolásom szerint a harmadik hibakategóriába tartozó két hibát közöl a gyártó [27]. Az egyik ilyen hiba akkor állhat elő, ha a CHIP-et az áramkörbe beépítetten kívánjuk felprogramozni (in-circuit programozás). A definiált hiba a következő [27-p1/1]: Abban az esetben, ha a Watch-Dog TIMER törlő bitjét előzőleg 0 -ba állítottuk, akkor ezt a soros programozás során a Mass Erase parancs nem fogja 1 -be állítani. Ha erre nem számítunk, akkor a gyártás során a programbetöltés módjától függően különböző lehet ugyanazon program működése. Parallel programozásnál ez a hiba nem áll fenn. A soros (in-circuit) programozást tehát csak abban az esetben szabad alkalmaznunk, ha az előbb említett funkció nincs kihatással az aktuális betöltendő programra. A második hibakategória besorolásom szerint harmadik kategóriába tartozó probléma [27 - p2/4] a programtitkosítással (klónozhatósági védelemmel) összefüggő. Négyes szintű (Level4) védelem bekapcsolása esetén (LB3= 0 ) a belső programmemóriában elhelyezett MOVX utasítással nem lehet a külső adatmemóriát elérni! A gyártó által javasolt megoldás ellentmond a [27 - p2/5]-ben közölt hibával, miszerint válasszunk másik védettségi szintet! Tulajdonképpen két dolog közül választhat a tervező: 1. Lemond a program védelemről, vagy 2. a hardver tervezésénél nem illeszt külső, adatmemóriaként funkcionáló RAM-ot a rendszerhez, és a program írásnál a változókat 256 byte+1 kbyte méretű memóriában helyezi el. 24