一種臨近空間太陽能無人機(jī)自主故障診斷及應(yīng)急處理策略*

蒙文躍 楊延平 溫 陽 戶艷鵬,2 馬曉平

1.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京100190 2.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191

0 引言

高空長航時(shí)太陽能無人機(jī)依靠機(jī)翼上鋪設(shè)的大面積太陽能電池板，轉(zhuǎn)換太陽能作為能量來源，具有飛行高度高、留空時(shí)間長、作業(yè)范圍廣、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，可執(zhí)行應(yīng)急信息保障、戰(zhàn)區(qū)預(yù)警、通訊中繼、偵查監(jiān)視等軍事任務(wù)以及大氣研究、災(zāi)害監(jiān)測、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等民用任務(wù)[1]。美國和英國研發(fā)太陽能無人機(jī)較早，我國從20世紀(jì)90年代起，北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校開始了對(duì)太陽能無人機(jī)的研究，直至今日，中國航天科技集團(tuán)、中國科學(xué)院、中國航空工業(yè)集團(tuán)等多家單位均在大力開展太陽能無人機(jī)平臺(tái)的研發(fā)。當(dāng)前，自主化和智能化作為無人系統(tǒng)的重要發(fā)展方向成為學(xué)術(shù)和工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

自主化和智能化高度依賴于飛行控制系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)作為無人飛行器的控制核心，其可靠性對(duì)無人機(jī)至關(guān)重要，而飛控計(jì)算機(jī)的故障檢測診斷及應(yīng)急處理是飛控系統(tǒng)可靠性的重要組成部分。現(xiàn)有關(guān)于飛行器故障檢測及應(yīng)急處理研究中，集中在特定類型無人機(jī)的具體設(shè)備研究，如系統(tǒng)性設(shè)計(jì)了針對(duì)飛控系統(tǒng)軟硬件的故障檢測[2-3]；分析了自主控制技術(shù)及飛控系統(tǒng)故障診斷專家知識(shí)庫結(jié)構(gòu)組成[4-5]；針對(duì)高速飛行無人機(jī)，提出了一種基于決策網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行飛行器異常事件診斷的系統(tǒng)[6]，采用Petri net矩陣推理構(gòu)建飛行器異常事件診斷依據(jù)。總結(jié)了深度學(xué)習(xí)在故障診斷領(lǐng)域中研究現(xiàn)狀，描述了基于4種深度學(xué)習(xí)模型的故障診斷思路[7]。研究了某型無人機(jī)的故障重構(gòu)技術(shù)[8-9]，特別是故障診斷與容錯(cuò)控制策略。上述研究均是針對(duì)故障診斷具體機(jī)構(gòu)進(jìn)行的單方面檢測設(shè)計(jì)，目前為止，關(guān)于高空太陽能無人機(jī)類型的飛控系統(tǒng)自主故障診斷及應(yīng)急處理策略方面，系統(tǒng)的研究相對(duì)較少，也少有資料可供參考，這是因?yàn)椋菏紫龋呖臻L航時(shí)太陽能無人機(jī)通常具有大展弦比、氣彈形變、低速飛行等特點(diǎn)，需要針對(duì)特性制定故障診斷標(biāo)準(zhǔn)；其次，太陽能無人機(jī)設(shè)備類型龐大復(fù)雜，包含多種類型傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，研發(fā)成本和難度高[10]；此外，無人飛行器空中計(jì)算和通信能力有限，難以實(shí)時(shí)完成大規(guī)模復(fù)雜運(yùn)算的地空信息交互[11-12]，需要研究飛行任務(wù)中的自主決策邏輯。

圖1 臨近空間球載太陽能無人機(jī)[13]

基于上述分析，針對(duì)高空長航時(shí)類太陽能無人機(jī)，見圖1[13]，本文分析并設(shè)計(jì)了一種有效的故障診斷策略及應(yīng)急處理邏輯，相比現(xiàn)有研究，具有以下特點(diǎn)：

1)結(jié)合太陽能無人機(jī)低速飛行和大升阻比等特點(diǎn)，應(yīng)急處理策略更側(cè)重于頂層規(guī)劃，適用于太陽能無人機(jī)驗(yàn)證飛行試驗(yàn)階段，是一種平臺(tái)和系統(tǒng)級(jí)的故障診斷和應(yīng)急處理策略，部分填補(bǔ)了太陽能無人機(jī)平臺(tái)級(jí)故障應(yīng)對(duì)策略的空白；

2)所設(shè)計(jì)故障診斷策略能夠?qū)崿F(xiàn)飛行過程中自主判定單機(jī)故障或飛行異常，并根據(jù)故障類型執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)急處理方法，現(xiàn)有的基于專家知識(shí)庫的無人機(jī)故障診斷系統(tǒng)多適用于無人機(jī)起飛前的地面檢測和維護(hù)階段[14-15]，與之不同，本策略提高了無人機(jī)在飛行任務(wù)中的自主決策能力，體現(xiàn)了無人機(jī)智能化的理念，是增強(qiáng)飛行安全的重要舉措；

3)本文設(shè)計(jì)的自主故障診斷策略涉及傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、電源控制設(shè)備、測控?cái)?shù)據(jù)鏈、飛控計(jì)算機(jī)以及飛控精度、穩(wěn)定性，幾乎涵蓋了無人機(jī)上的所有航電設(shè)備及飛行狀態(tài)的狀態(tài)監(jiān)測和相關(guān)故障診斷，設(shè)計(jì)更加全面，具有實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值。

1 故障診斷邏輯建模

太陽能無人機(jī)在故障類型和處理策略上較傳統(tǒng)無人機(jī)的應(yīng)急處理策略均有較大差別，是一種新型的適用于太陽能無人機(jī)系統(tǒng)的自主故障診斷及應(yīng)急處理。本文設(shè)計(jì)的邏輯策略與方法，是面向自主化設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)智能故障診斷及處理，其中，邏輯建模是研究故障診斷的一個(gè)關(guān)鍵步驟，通過圖2中的處理邏輯實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟：

圖2 故障診斷及應(yīng)急處理診斷邏輯

1)確定太陽能無人機(jī)上的單機(jī)設(shè)備類型，確定單機(jī)故障單元；

2)統(tǒng)計(jì)除單機(jī)設(shè)備故障以外的其他異常情況，確定其他故障單元；

3)對(duì)每種故障單元?jiǎng)澐止收项愋停_定故障判定及解除判定方法；

4)根據(jù)故障對(duì)無人機(jī)平臺(tái)的影響程度，劃分應(yīng)急等級(jí)及相應(yīng)等級(jí)下的應(yīng)急處理策略；

5)給每種故障單元對(duì)應(yīng)的故障類型確定應(yīng)急等級(jí)及應(yīng)急處理策略；

6)確定應(yīng)急判斷及邏輯處理總則。

2 自主故障診斷方案設(shè)計(jì)

自主故障診斷及應(yīng)急處理方案設(shè)計(jì)依據(jù)圖3完成，重點(diǎn)分為故障單元確定、故障類型劃分及故障/解除判定方法、應(yīng)急等級(jí)及處理策略3大部分。

圖3 邏輯處理方案流程圖

2.1 故障單元確定

故障單元確定需要依據(jù)太陽能無人機(jī)整機(jī)設(shè)備情況具體分析。

太陽能無人機(jī)上的航電設(shè)備主要分為傳感器類、執(zhí)行機(jī)構(gòu)類、動(dòng)力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、測控與信息傳輸系統(tǒng)、飛控計(jì)算機(jī)、照明系統(tǒng)、回收系統(tǒng)以及任務(wù)載荷等。任何一類單機(jī)設(shè)備出現(xiàn)故障都將影響到無人機(jī)任務(wù)的執(zhí)行，甚至威脅無人機(jī)自身的飛行安全。在此根據(jù)太陽能無人機(jī)上的設(shè)備狀態(tài)，可提取直接影響無人機(jī)飛行安全的關(guān)鍵重要單機(jī)設(shè)備作為重點(diǎn)的故障監(jiān)測單元，見表1。通過對(duì)關(guān)鍵故障單元的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，判定各單元是否工作正常。

除對(duì)機(jī)上單機(jī)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測外，還應(yīng)關(guān)注太陽能無人機(jī)的飛行狀態(tài)是否正常，如是否在沿預(yù)定的航線飛行、飛行速度與給定速度是否一致、無人機(jī)的飛行姿態(tài)是否正常等。相應(yīng)故障單元可以歸納為飛控精度和無人機(jī)穩(wěn)定性，詳見表1。

2.2 故障類型的判定和解除

對(duì)于單機(jī)類型故障，當(dāng)單機(jī)能夠輸出自身工作狀態(tài)標(biāo)志時(shí)，則根據(jù)工作狀態(tài)標(biāo)志判定單機(jī)是否故障，當(dāng)無相關(guān)工作狀態(tài)標(biāo)志輸出時(shí)，則通過監(jiān)測其有效數(shù)據(jù)輸出是否正常來判定故障，如數(shù)據(jù)幀中斷，則認(rèn)定為通信故障。表2列出了部分故障類型的判定方法：

表1 關(guān)鍵設(shè)備與故障單元?jiǎng)澐直?/p>

表2 部分故障類型判定及解除方法

故障判定的進(jìn)入及解除應(yīng)根據(jù)飛行階段、單機(jī)通信周期的不同設(shè)定合適的幀次或時(shí)間門限，遵循“嚴(yán)進(jìn)嚴(yán)出”原則，避免故障狀態(tài)頻繁切換。

2.3 應(yīng)急等級(jí)及處理策略

根據(jù)故障對(duì)無人機(jī)平臺(tái)的影響程度劃分應(yīng)急等級(jí)及相應(yīng)等級(jí)下的應(yīng)急處理策略。具體地，按照故障嚴(yán)重程度的不同，可將各故障類型劃分為I、II、III應(yīng)急等級(jí)，詳見表3。

I級(jí)應(yīng)急：嚴(yán)重影響無人機(jī)安全的故障；處理策略以最大程度保護(hù)無人機(jī)及機(jī)上設(shè)備，為直接開傘或給固定舵偏執(zhí)行飄落。

II級(jí)應(yīng)急：影響無人機(jī)任務(wù)執(zhí)行效果或可能影響無人機(jī)安全的故障；處理策略為加大著陸窗口，進(jìn)回收航線著陸。

表3 故障判斷及應(yīng)急策略

III級(jí)應(yīng)急：不影響無人機(jī)飛行任務(wù)的故障；處理策略為僅給出故障告警，地面操作人員根據(jù)故障標(biāo)志獲知故障類型，并決策是否采取干預(yù)措施。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合故障類型及其發(fā)生時(shí)無人機(jī)所處的飛行階段，給不同的故障類型確定應(yīng)急等級(jí)和應(yīng)急處理策略。

具體地，對(duì)于在加速滑跑階段即發(fā)生的故障，應(yīng)及時(shí)采取措施終止起飛，因此應(yīng)歸入I級(jí)應(yīng)急等級(jí)，應(yīng)急處理策略為終止起飛；對(duì)于空中飛行段，諸如主、備慣導(dǎo)均失效和無人機(jī)失穩(wěn)等嚴(yán)重影響無人機(jī)安全的故障，也應(yīng)歸入I級(jí)應(yīng)急等級(jí)，當(dāng)無人機(jī)高度大于開傘高度時(shí)開傘，否則執(zhí)行飄落。

在非加速滑跑段，對(duì)于主慣導(dǎo)組合導(dǎo)航異常、主慣導(dǎo)導(dǎo)航數(shù)據(jù)無效但備份航姿儀正常，大氣機(jī)、舵機(jī)、電機(jī)、能源系統(tǒng)、測控?cái)?shù)據(jù)鏈、飛控計(jì)算機(jī)等一般嚴(yán)重故障，則歸為II級(jí)應(yīng)急，故障發(fā)生時(shí)應(yīng)加大著陸窗口，使無人機(jī)進(jìn)入回收航線，執(zhí)行回收操作。

而對(duì)于非加速滑跑段的備份航姿異常但主慣導(dǎo)正常、無高表異常、前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)故障但其他舵機(jī)均正常、電機(jī)過載等，則只需要報(bào)故障標(biāo)志，仍繼續(xù)當(dāng)前飛行任務(wù)，此為III級(jí)應(yīng)急。

3 應(yīng)急判斷及邏輯處理原則

實(shí)際飛行過程中，可能涉及多故障并發(fā)而需要進(jìn)行應(yīng)急等級(jí)轉(zhuǎn)換的情況。例如無人機(jī)上同時(shí)發(fā)生多種故障，而各故障的應(yīng)急等級(jí)和應(yīng)急處理措施相應(yīng)不同，應(yīng)以哪個(gè)為準(zhǔn)；再例如無人機(jī)先判斷發(fā)生了一種故障，一段時(shí)間后故障消失，此時(shí)應(yīng)急等級(jí)及應(yīng)急處理措施是否需要更新；以及當(dāng)操作人員通過地面站手動(dòng)發(fā)送應(yīng)急命令時(shí)，無人機(jī)響應(yīng)命令應(yīng)轉(zhuǎn)入幾級(jí)應(yīng)急處理策略等等。為此應(yīng)制定總體原則，使得上述情況下的應(yīng)急等級(jí)轉(zhuǎn)換確定有序，避免在多故障并發(fā)時(shí)出現(xiàn)邏輯時(shí)序的混亂。

針對(duì)上述問題，本文制定應(yīng)急判斷及邏輯處理應(yīng)遵循的總體原則，具體如下：

1)當(dāng)有多種故障同時(shí)發(fā)生時(shí)，按最高級(jí)別應(yīng)急處理；

2)自主故障診斷及應(yīng)急處理系統(tǒng)可根據(jù)故障類型的變化執(zhí)行應(yīng)急等級(jí)升級(jí)，但不能執(zhí)行應(yīng)急等級(jí)降級(jí)，當(dāng)判定故障解除時(shí)，僅清除相應(yīng)的故障標(biāo)志，不改當(dāng)前的應(yīng)急等級(jí)及處理邏輯；

3)通過地面站發(fā)命令手動(dòng)進(jìn)應(yīng)急模式時(shí)，默認(rèn)進(jìn)入II級(jí)應(yīng)急。

4 自主故障診斷及應(yīng)急處理仿真驗(yàn)證

依據(jù)上述策略設(shè)計(jì)半實(shí)物仿真驗(yàn)證平臺(tái)(圖4)。將表1中列出的慣導(dǎo)、舵機(jī)、飛控計(jì)算機(jī)、測控?cái)?shù)據(jù)鏈接入半實(shí)物仿真系統(tǒng)，無法參與仿真的無線電高度表、大氣機(jī)、動(dòng)力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)均在仿真計(jì)算機(jī)中以數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，并按真實(shí)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議經(jīng)測試電纜與飛控計(jì)算機(jī)通訊。運(yùn)行該閉環(huán)仿真系統(tǒng)，并在仿真過程中針對(duì)特定設(shè)備人為引入故障，測試自主故障診斷系統(tǒng)邏輯判斷及飛控模式轉(zhuǎn)換的正確性。

圖4 半實(shí)物仿真驗(yàn)證平臺(tái)

圖5 飛行狀態(tài)自主切換模擬仿真

仿真過程中，在1500s程控模式下的巡航階段，人為斷開數(shù)據(jù)鏈路，制造遙測丟失故障，根據(jù)應(yīng)急處理策略，飛控模式切換為應(yīng)急模式(II級(jí)應(yīng)急等級(jí))并進(jìn)入應(yīng)急回收階段，之后自主拉飄著陸，飛行狀態(tài)自主切換仿真結(jié)果見圖5。

5 結(jié)論

高空長航時(shí)太陽能無人機(jī)具有大展弦比、高空低速、大升阻比、設(shè)備繁多復(fù)雜等特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的飛控系統(tǒng)的故障診斷和應(yīng)急處理設(shè)計(jì)十分重要，可有效提高飛控系統(tǒng)的可靠性。本文提出一種適用于太陽能無人機(jī)的自主故障診斷及應(yīng)急處理策略，基于實(shí)際全機(jī)設(shè)備，從平臺(tái)級(jí)故障層面實(shí)施頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)，提高了無人機(jī)在飛行任務(wù)中的自主決策能力，此外，所設(shè)計(jì)邏輯策略實(shí)施靈活，即可作為飛控內(nèi)嵌代碼，也可作為獨(dú)立軟件模塊被機(jī)載軟件調(diào)用，無需增加硬件成本，具有實(shí)際參考意義。