一種無人機故障監(jiān)控裝置和方法

張輝 劉政達

摘要：根據(jù)對無人機的相關(guān)研究，提出并設(shè)計了一種無人機故障監(jiān)控裝置和方法，旨在增強無人機的自主性，并簡化操作。采取理論和設(shè)計實踐相結(jié)合的方式，提出了一種基于色燈故障顯示和實時空間定位的無人機故障監(jiān)控設(shè)計。其次，描述了這一設(shè)計的具體操作方案，同時展示了其具體應(yīng)用的意義。以期為今后在特殊環(huán)境應(yīng)用方面提供新的道路和可能性。

關(guān)鍵詞：無人機；故障檢測；空間坐標(biāo)

近年來，隨著現(xiàn)代飛行器控制技術(shù)的日益發(fā)展，各種各樣的飛行器逐漸呈現(xiàn)出很高的自主性。其中無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）的應(yīng)用場景不斷增加，應(yīng)用形式從單架飛機轉(zhuǎn)向了多無人機[1]。無人機的靈活性和穩(wěn)定性強，活動范圍大且執(zhí)行任務(wù)效率高，可以勝任物流運輸、戰(zhàn)場偵察和打擊等軍事或民用領(lǐng)域的任務(wù)。通常采用編隊飛行的方式來執(zhí)行這些復(fù)雜任務(wù)，因此針對多無人機編隊問題展開研究具有重要的理論和應(yīng)用價值。然而，在面臨著低空近地、紊亂風(fēng)場、系統(tǒng)可靠性等一些常見且主要的問題時，無人機無法完全實現(xiàn)真正的自主。通過無人機的自主調(diào)試，存在墜機、操控失靈、系統(tǒng)故障等一系列潛在風(fēng)險。無人機自治飛行面臨著不可忽視的挑戰(zhàn)[2]。因此，針對該問題，本文提出了一種無人機故障控制和監(jiān)控裝置，應(yīng)用漸變燈色來靈活地控制和監(jiān)控故障，以增強無人機的自主性和簡化操作。這將提高無人機的自主性，使無人機系統(tǒng)更加穩(wěn)定，對無人機在飛行控制系統(tǒng)的研究具有重大意義[3]。

一、無人機故障控制和監(jiān)控裝置設(shè)計

（一）裝置設(shè)計介紹

本文研究無人機故障和監(jiān)控問題。提出并設(shè)計了一種新型無人機故障控制和監(jiān)控裝置，以及故障顯示方法。該裝置包括外殼、蜂鳴器、警示燈、處理模塊和存儲模塊，這些設(shè)備都放置在外殼內(nèi)。蜂鳴器、警示燈與處理模塊相連，而外殼上還有一個Type-c接口，用于獲取和監(jiān)控?zé)o人機的運行狀態(tài)信息。蜂鳴器的作用是在檢測到故障時，發(fā)出鳴叫以提醒地面工作人員。警示燈則通過改變顏色和閃爍的方式提示故障原因，包括飛行時的滾動角，偏航角和俯仰角、巡航狀態(tài)、飛行速度和高度。出現(xiàn)不正常狀態(tài)時警示燈都會提示，輕度故障時色燈顯示為綠色，中度故障時色燈顯示為黃色，重度故障時色燈顯示為紅色。處理模塊負責(zé)對數(shù)據(jù)進行處理和分析，例如計算滾動角、偏航角和俯仰角，并與預(yù)設(shè)信息進行對比。它還能將告警信息反饋給操作人員的控制設(shè)備，并顯示故障或警告信息。此外，處理模塊還能夠讀取無人機編隊的隊形、位置和路徑數(shù)據(jù)。存儲模塊用于存儲預(yù)設(shè)信息和飛行狀態(tài)信息等。

（二）無人機運用

無人機運行時的俯仰角α和偏航角θ在預(yù)設(shè)數(shù)值范圍內(nèi)時，處理模塊判定無人機狀態(tài)正常，飛行正常；當(dāng)無人機運行時的偏航角θ和俯仰角β超出預(yù)設(shè)數(shù)值范圍時，處理模塊指示色燈運行告警，但不觸發(fā)蜂鳴器警告，以提示無人機旋翼轉(zhuǎn)速異常，需要根據(jù)數(shù)值進行處理，屬于輕度故障；當(dāng)無人機運行時的上升速度超出預(yù)設(shè)俯仰角數(shù)值范圍時，處理模塊發(fā)出指示色燈運行告警和蜂鳴器警告，以提示無人升力異常，需要根據(jù)計算結(jié)果提升或減少升力，屬于中度故障；監(jiān)測到滾動角α超出預(yù)設(shè)俯仰角數(shù)值范圍時，處理模塊發(fā)出指示色燈運行告警和蜂鳴器警告，以提示無人機結(jié)構(gòu)異常，屬于重度故障，需要進行人工核實和修理；若處理后偏航角θ和俯仰角β依舊超出預(yù)設(shè)角度，則同時發(fā)出指示色燈運行告警和蜂鳴器警告，無人機將偏離預(yù)設(shè)航線，需要操作人員對無人機進行干預(yù)，屬于重度故障。

當(dāng)X，Y，Z超過預(yù)設(shè)信息的中的X0、Y0、Z0時，立即根據(jù)實際情況調(diào)整飛行參數(shù)，并重新與預(yù)設(shè)軌道比較，如無法返回到預(yù)設(shè)軌道，則視為中度故障。

二、色燈故障顯示方法和裝置的具體方案

（一）檢測單個無人機飛行狀態(tài)

無人機故障檢測裝置需要兩個模塊。分別為處理模塊和存儲模塊。處理模塊用于數(shù)據(jù)處理，存儲模塊用于存儲信息[4]。

獲取單個無人機的運行狀態(tài)信息包括無人機飛行時的滾動角、偏航角和俯仰角，還可以包括巡航飛行狀態(tài)、飛行速度、飛行高度等無人機運行參數(shù)信息。此處預(yù)設(shè)信息有無人機的運行時的滾動角、偏航角和俯仰角的正常數(shù)值范圍。

處理模塊實時地將計算出的滾動角、偏航角和俯仰角與預(yù)設(shè)信息進行對比分析。當(dāng)無人機運行時的俯仰角α在預(yù)設(shè)俯仰角數(shù)值范圍內(nèi)時，處理模塊判定無人機為正常狀態(tài)，無人機飛行正常。

當(dāng)監(jiān)測到滾動角α超出預(yù)設(shè)俯仰角數(shù)值范圍時，處理模塊指示色燈運行告警以及蜂鳴器警告，提示無人機結(jié)構(gòu)異常，屬于重度故障，需要人工核實修理。

當(dāng)無人機運行時偏航角θ在預(yù)設(shè)俯仰角數(shù)值范圍內(nèi)時，處理模塊判定無人機為正常狀態(tài)，表示無人機旋翼轉(zhuǎn)速正常運行。

當(dāng)無人機運行時的偏航角θ超出預(yù)設(shè)俯仰角數(shù)值范圍時，處理模塊指示色燈運行告警但不進行蜂鳴器警告，提示無人機旋翼轉(zhuǎn)速異常，需要根據(jù)數(shù)值進行處理，屬于輕度故障。

若處理后偏航角θ依舊超出預(yù)設(shè)角度，則同時進行色燈運行告警和蜂鳴器警告，無人機將遠離預(yù)設(shè)航線，需要操作人員對無人機進行人工干預(yù)，屬于重度故障。

當(dāng)無人機運行時的俯仰角β超出預(yù)設(shè)俯仰角數(shù)值范圍時，處理模塊指示色燈運行告警但不進行蜂鳴器警告，提示無人機轉(zhuǎn)速不平衡，需要根據(jù)數(shù)值進行加速處理，屬于輕度故障。

若處理后俯仰角β依舊超出預(yù)設(shè)角度，則同時進行色燈運行告警和蜂鳴器警告，無人機將遠離預(yù)設(shè)航線，需要操作人員對無人機進行人工干預(yù)，屬于重度故障。

當(dāng)無人機運行時的上升速度超出預(yù)設(shè)俯仰角數(shù)值范圍時，處理模塊指示色燈運行告警以及蜂鳴器警告，以提示無人機升力異常，需要根據(jù)計算結(jié)果提升或減少升力，屬于中度故障。

處理模塊還用于將告警信息反饋至操作人員的控制設(shè)備，外部設(shè)備顯示故障或警告信息。通過人工校驗告警信息提示的無人機運行狀態(tài)是否正常，當(dāng)校驗無人機運行狀態(tài)為正常時，結(jié)束告警，并且處理模塊根據(jù)無人機運行狀態(tài)更新存儲模塊中的預(yù)設(shè)信息。

以上為無人機個體檢測流程，具體請見下方流程圖。

（二）無人機列陣故障監(jiān)控與告警方法

該告警裝置具體如下：

其中外殼包括Type-c接口1、聲音傳出小孔2、警示燈3、外殼4。參見圖5：外殼內(nèi)包括處理模塊2、存儲模塊3、蜂鳴器4。

外殼包括type-c接口，可以獲取并監(jiān)控?zé)o人機的運行狀態(tài)信息。同時，外殼內(nèi)還放置了蜂鳴器、警示燈、處理模塊和存儲模塊。蜂鳴器和色燈與處理模塊相連。

處理模塊用于接收運行狀態(tài)信息，并在該信息與存儲模塊中的預(yù)設(shè)信息不符合時，通過蜂鳴器和色燈進行告警。

通過故障報警監(jiān)測，本裝置可以實現(xiàn)以下功能：

處理模塊讀取無人機編隊的隊形、位置和路徑數(shù)據(jù)；

根據(jù)獲取的隊形和數(shù)據(jù)分析，確定無人機的路徑、位置以及尺寸、物理邊界等相關(guān)參數(shù)，并記錄飛行中的空間邊界Xmax ，Xmin ，Ymax ，Ymin ，Zmax ，Zmin[5]；

根據(jù)記錄的飛行空間邊界，獲得無人機的路徑狀態(tài)；

當(dāng)Xmax、Ymax、Zmax，超過預(yù)設(shè)信息的中的Xmax0時，立即根據(jù)實際情況調(diào)整飛行參數(shù)，并重新與預(yù)設(shè)軌道進行比較。如果仍無法返回到預(yù)設(shè)軌道，則視為中度故障；

當(dāng)Xmin、Ymin、Zmin超過預(yù)設(shè)信息的中的Xmax0時，立即根據(jù)實際情況調(diào)整飛行參數(shù)，并重新與預(yù)設(shè)軌道進行比較。如果仍無法返回到預(yù)設(shè)軌道，則視為中度故障；

自此無人機檢測完畢。

（三）色燈故障顯示方法

基于得到的參數(shù)測量結(jié)果及步驟，根據(jù)不同的故障情況，計算編隊中設(shè)備的燈效顏色以及蜂鳴器的運行；

在輕度故障時，設(shè)備色燈顯示為綠色，蜂鳴器不運行；

在中度故障時，設(shè)備色燈顯示為黃色，蜂鳴器同時運行，警示操作人員，可能需要進行處理；

在重度故障時，設(shè)備色燈顯示為紅色，蜂鳴器同時運行，提示無人機結(jié)構(gòu)存在問題，需要操作人員進行檢修。

三、色燈故障分析及監(jiān)測裝置的應(yīng)用意義

（一）環(huán)境適應(yīng)性加強

通過燈色的靈活來及時反映無人機的故障程度，更好地提高了處理復(fù)雜無人機問題的能力，進一步增強了無人機飛行狀態(tài)的穩(wěn)定性，提升了無人機飛行的安全性[6]。相比于現(xiàn)有的紅外熱成像故障診斷技術(shù)，該設(shè)備最大限度地避免了在特殊天氣工作過程中由于暴雨、低溫等外界不良因素的影響而導(dǎo)致信息收集失誤，能夠更好地適應(yīng)環(huán)境變化。

（二）自主決策性提高

無人機進行自主檢測和報警，可以快速排除故障，使其能夠及時安全地投入工作。相較于普通無人機，它最大程度上提高了人工決策的準確性和高效性，進一步降低了不必要的資源浪費。

（三）智能便利性的優(yōu)化

通過分析傳回的數(shù)據(jù)，優(yōu)化無人機的飛行路徑，可以極大程度地降低無人機的飛行故障率。這樣可以推動無人機的智能化和便利化[7]。

四、結(jié)束語

隨著無人機的使用推廣和規(guī)模的不斷擴大，無人機故障檢測和飛行方面存在一些缺陷，可能埋下潛在隱患。因此，本文采用空間定位方法進行故障類型診斷，并基于色燈變化進行故障顯示。本章首先介紹無人機飛行的基本理論，分析其局限性，然后總結(jié)一些常用的優(yōu)化方法，為無人機飛行的故障定位和分析提供參考。同時，隨著無人機的推廣和規(guī)模的擴大，無人機故障檢測和飛行中可能存在一些缺失，這可能會埋下潛在的隱患。因此，本文提出了使用空間定位來進行無人機故障類型診斷和基于色燈變化來進行故障顯示的方法。本章首先介紹了無人機飛行的基本理論，分析了其局限性，并針對這些局限性總結(jié)了一些常用的優(yōu)化方法，為無人機飛行的故障定位和分析提供參考。

作者單位：張輝 劉政達 無錫學(xué)院

參? 考? 文? 獻

[1]李華偉.多無人機協(xié)同任務(wù)規(guī)劃研究與實現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)，2014.

[2]付偉伊.基于聯(lián)盟博弈的飛行自組網(wǎng)中信息共享方法研究[D].天津大學(xué)，2017.

[3]趙少雄.無人機自主飛行控制系統(tǒng)設(shè)計[D].中北大學(xué)，2017.

[4]蔡濤，鞠時光，牛德姣.開放式安全存儲區(qū)域網(wǎng)模擬平臺[C]//中國計算機學(xué)會信息存儲技術(shù)專業(yè)委員會.第15屆全國信息存儲技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集.科學(xué)出版社（Science Press），2008：23-27.

[5]徐龍.工程分析數(shù)據(jù)的遠程交互可視化技術(shù)研究[D].上海交通大學(xué)，2011.

[6]張蒙.大展弦比無人機安全著陸縱向控制技術(shù)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2017.

[7]張晨.基于無人機的交通流量檢測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].南京航空航天大學(xué)，2018.