無人直升機傳感器和執行器故障的類型與分析

陳傳琪

中國直升機設計研究所

傳感器和執行器的健康狀況對無人直升機的飛行安全至關重要。本文對無人直升機傳感器與執行器的故障進行分類與分析，并介紹執行器故障的定量描述方法。

無人直升機具有垂直起降、空中懸停、協調轉彎、前飛等多種飛行模態。它能完成多種復雜任務，對起飛場地、使用環境要求較低。無人直升機行業的不斷發展以及任務場景的廣泛拓展，對無人直升機可靠性提出了更高要求。

作為無人直升機實現基本功能所必備的部件，傳感器和執行器擁有良好的健康狀況非常重要。傳感器和執行器的功能和用途均不相同，二者可能發生的故障有很大差別，相應的故障診斷方法截然不同。

傳感器作為不可控部件，其故障行為一般不可復原，須要配備冗余信號源避免信號喪失。執行器作為可控部件，其非破壞性故障可以被認為是執行機構操作效率的損失，適當的重構控制方法可降低故障引起的負面影響。在實際應用中，有必要對執行器的故障進行深入分析，以確定具體的故障信息。故障診斷環節得到的故障信息可以作為容錯控制的基本依據。

傳感器的分類

傳感器作為一種檢測裝置，能夠得到定量的測量信息，并按照一定規律將感知信息轉成電信號或者其他形式的信號輸出，以滿足信息傳輸、處理、顯示、控制等要求。傳感器作為無人直升機飛行狀況的監測裝置，將測量信息反饋給控制系統，以便控制系統實時調控飛行狀態，適應當前飛行需求。此外，傳感器的輸出信息也可為地面控制人員了解無人直升機的飛行狀況提供重要參考。

根據工作原理，傳感器分為物理傳感器和化學傳感器兩大類。

在工程領域，物理傳感器是一種應用較廣泛的傳感器，它感知彈性形變、壓電效應、熱電效應、光電效應等物理現象。比如，溫度、壓力等傳感器大多基于物理效應設計而成。

化學傳感器以化學吸附、電化學反應等現象為感知對象，能將具有微小變化量的測量信號轉換成電信號。

傳感器故障類型

作為一種功能性部件，傳感器在工作過程中不可避免地發生老化、性能下降等問題，甚至受到外部環境的影響而發生突變性故障。

值得注意的是，傳感器安裝在無人直升機上，用于測量無人直升機的飛行參數。在飛行過程中，無人直升機機身的振動將對傳感器測量值產生一定影響，這種影響具體表現為：測量值圍繞真值上下波動。在實際工程應用中，這種波動被視為測量噪聲。位置、高度等傳感器因載體振動引起的測量誤差非常小，可以忽略不計。加速度計、陀螺儀等慣性測量單元可采用濾波處理，盡量減小載體振動產生的影響。

根據故障存在的時間，傳感器故障可分為間歇性故障和永久性故障。GPS的搜星故障是一種典型間歇性故障。傳感器的機械零件、電子元器件等部件出現故障，通常會引起永久性故障。

而根據故障對測量結果產生的影響，傳感器故障主要包括失效故障、偏移故障和周期噪聲故障三種。下文詳細分析這三種常見傳感器故障。

失效故障

傳感器失效故障是指，傳感器受到環境干擾或因傳感器自身原因而不能正常工作。一般情況下，失效故障的表現是，測量數值卡死或者歸零。以無人直升機俯仰角測量為例進行故障分析，傳感器若在某時刻發生歸零故障，俯仰角測量值會持續歸零，無法繼續提供有效參數用于控制與顯示。傳感器若在某時刻發生卡死故障，俯仰角測量值將固定不變，且不能隨無人直升機的姿態變化而提供有效參數用于控制與顯示。常規手段即可實現傳感器失效故障診斷，通常傳感器自身標志位變化監測等手段可對故障進行判別。

偏移故障

傳感器發生偏移故障后，仍能輸出具有一定準確性的測量參數。偏移故障分為恒偏移故障、漂移故障（測量精度會下降）、沖激故障和恒增益故障。

（1）恒偏移故障

恒偏移故障是指，在某一時刻，傳感器的測量值在真值的基礎上，疊加了一個恒定偏移量。式（1）為恒偏移故障的數學解析式。

其中，f(t)是發生恒偏移故障的傳感器的測量值，y(t)是傳感器真值，Δ為一個恒定偏移量。

以無人直升機高度傳感器為例進行故障分析，當傳感器發生恒偏移故障時，其提供的高度參數出現一個恒定的偏移量Δ，飛行控制程序收到此錯誤偏移量后，調整無人直升機的飛行高度，這時無人直升機的飛行高度將與目標高度存在偏差，導致操作人員此做出錯誤判斷。若偏移量超出本次飛行任務所要求的高度，可能導致飛行任務失敗甚至發生危險。

（2）漂移故障

漂移故障是指，傳感器在某一時刻發生故障后，測量值在真值的基礎上，疊加一個與時間相關或者無關的漂移量。該漂移量一般隨故障持續的時間增長而增加，故障表現為傳感器精度逐漸下降，直至完全失真。式（2）為漂移故障的數學解析式。

其中，f(t)是發生漂移故障的傳感器的測量值，y(t)是傳感器真值，h(t)是傳感器發生漂移故障后，其測量值所產生的偏移量，ρ(t)是一個與時間相關或無關的漂移量，t表示時間，t0是漂移故障發生的時刻。在所有傳感器故障中，漂移故障發生的頻率最高，傳感器受到外界環境影響時，經常會發生漂移故障。

以無人直升機絕對位置信號（經緯度）為例進行故障分析，衛星接收機提供位置信號，當衛星接收機出現故障或衛星信號受到干擾時，搜星數量大大減少，甚至不能收到衛星信號，無人直升機的絕對位置信號將發生漂移，該絕對位置漂移量將隨故障持續的時間增長逐漸增大，傳感器的精度逐漸下降直至完全失真，無人直升機將無法準確到達任務目標位置或安全著陸點。

（3）沖激故障

沖激故障是指，傳感器正常工作時，在某時刻受到影響而發生突變故障。該故障表現為，測量值疊加了一個幅值有限的沖激信號。式（3）為沖激故障的數學解析式。

其中，f(t)是發生沖激故障的傳感器的測量值，y(t)是傳感器真值，ρ(t0)為理想沖激函數。理想沖激函數表示在t0時刻存在一個寬度幾乎為零且幅值無窮大的信號，在其他時刻，該函數值為零。

在實際工程中，沖激故障通常并不是一個理想沖激函數，而是一個持續時間較短、幅值有限的偏移故障。無人直升機一般來不及響應偶發的沖激故障，但過于頻繁的沖激故障會對飛行控制產生不利影響，須要采用濾波算法等方法盡可能剔除沖激故障。傳感器發生沖激故障后，能在一定程度上恢復正常的檢測功能。但這種恢復不能保證傳感器恢復到故障前的檢測精度。相應的故障檢測方法可檢測傳感器精度，并確定傳感器能否滿足實際應用所要求的功能。通常，專業人員對傳感器進行校準，以檢測傳感器的具體狀態。

（4）恒增益故障

當傳感器發生恒增益故障時，傳感器實際測量值發生一定比例的放大或縮小，傳感器精度進而出現一定程度的下降。恒增益故障的數學解析式詳見式（4）。

其中，f(t)是發生恒偏移故障的傳感器的測量值，k為放大因子，y(t)是傳感器真值。

恒增益故障通常由傳感器敏感元件的老化、損壞等因素所致，尤其常見于彈簧管、膜盒等具有應力式原理的傳感器。恒增益故障的表現與恒偏移故障類似，但二者的故障原理有著本質區別。恒增益故障一般由傳感器的測量回路發生非破壞性故障所致，而恒偏移故障通常由傳感器在某時刻發生類似零點漂移的偏移量所致。

周期噪聲故障

周期噪聲故障是指，傳感器發生不定時的噪聲過敏。該故障原因比較復雜，很難用具體數學表達式描述，故障機理一般不可測。周期噪聲故障一般為破壞性故障，即傳感器發生周期噪聲故障后基本不可再用。

周期噪聲故障表現為，測量值對噪聲過于敏感。周期噪聲故障也可以看作是傳感器在不同時刻發生了多個沖激故障。在實際應用中，周期噪聲故障一般由電子元器件老化、敏感器件失常等因素所致，會逐漸導致傳感器功能完全失效。

執行器故障類型與分析

執行器的分類與功能

中小型油動無人直升機一般至少有4個電動舵機執行器，即1個尾槳舵機和3個主槳舵機。無人直升機飛行控制一般將以上4個執行器和4個偽控制量（尾槳距控制量、傾斜盤總距控制量、傾斜盤縱向周期變距控制量、傾斜盤橫向周期變距控制量）相關聯，4個電動舵機對無人直升機的運動進行控制。尾槳舵機的作用是控制尾槳距，進而改變尾槳旋轉所產生的推力，3個主槳舵機共同操縱無人直升機主旋翼的總距用于控制飛行高度，單個主槳舵機操縱周期變距主要控制飛行方向。

聯結主旋翼與機身的部件即為自動傾斜器。由圖1可見，自動傾斜器由兩個傾斜盤以及控制傾斜盤高度及傾斜角的3個執行器構成。兩個傾斜盤之間可以相對滑動，但牢固結合在一起。3個舵機對下傾斜盤的運動進行控制，使下傾斜盤朝向給定的方向。上傾斜盤與主旋翼聯結，隨著下傾斜盤的調整，主旋翼旋轉面將朝向給定的方向，從而控制無人直升機的運動。

電動舵機的組成

圖1 自動傾斜器。

電動舵機主要由外殼、電路板、驅動電機、減速器與位置檢測元器件構成。一個完整的電動舵機可以看作是一個完整的閉環控制回路。其工作原理是，計算模塊向舵機發送信號，電路板上的集成電路驅動電機轉動，減速齒輪再將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器反饋擺臂位置至計算模塊，計算模塊判斷擺臂是否已經到達目標位置。位置檢測器實質上是一個滑動變阻器。隨著舵機轉動，變阻器電阻值也會相應變化，由此測得舵機轉子轉過的角度。

根據不同的工作方式，電動舵機分為直線舵機、旋轉舵機等類型。直線舵機擁有更好的線性度，多用于須要直線驅動的場合，但直線舵機的安裝條件相對嚴格。旋轉舵機通過機械連桿實現直線驅動，且對安裝空間的要求更低，其類型包括90°、150°和180°等不同行程的舵機。現階段，無人直升機更多采用旋轉舵機，無人直升機的執行器通常使用150°行程的舵機便能滿足使用要求。

電動舵機采用電機提供動力，如果預算足夠，舵機可使用無刷電機。舵機直接控制無人直升機的運動，3個主旋翼總距控制舵機和尾槳距控制舵機應具備更強的扭力以滿足實際需求。

執行器故障分析

（1）舵機故障

舵機包括很多復雜的模塊，這些模塊都有發生故障的可能性。根據故障的表現形式，無人直升機機載執行器的故障可分為機械故障、電氣故障兩大類。機械故障主要指，無人直升機在調試以及運行期間，執行器的機械部件長期受力、熱等因素作用而產生變形。電氣故障則包含電源過載、蓄電池異常、電路斷路和短路等現象。

功率放大模塊是容易發生故障的模塊之一。功率放大器的故障特征體現在電流和溫度的變化。功率放大器產生的電流較大，晶體管的集電結消耗了相當大的功率輸出，進而結溫迅速上升，導致故障。

舵機老化則會引起滯舵現象。滯舵現象是指舵機轉動滯后于操舵動作的現象，該現象時有發生。

（2）聯動機構故障

除舵機之外，將舵機與主旋翼或尾槳聯結在一起的機械構件也可能發生故障。常見的故障有聯動機構卡滯、阻塞、松動以及存在間隙等問題，這些問題會導致執行器的操縱不能完全反映到飛行器的運動上，甚至失去操縱飛行器的能力。聯動機構故障須要機務在日常檢查與維護過程中預先發現并消除，同時在無人直升機每次起飛前都須要例行操縱檢查以確定聯動機構是否正常可靠。

執行器故障的定量描述方法

從故障對飛行狀態的影響來看，無人直升機執行器的故障可分為軟性故障和硬性故障。軟性故障是指某部件發生故障后，仍能保留一部分功能，不會立即破壞無人直升機的動力學平衡。硬性故障是指執行器發生故障后，導致無人直升機不能工作。

式（5）是一種無人直升機故障的定量描述方法。

其中，

Uin是執行器的給定量，Uout是執行器實際輸出量，γi是第i個執行器的效率損失因子，Γf為所有執行器的效率損失因子。