無人機控制系統智能故障診斷系統設計

摘" 要：無人機控制系統作為無人機的核心部分，其運行狀態對無人機的飛行安全有著直接的影響。而無人機控制系統在應用過程中存在許多故障診斷問題，基于此該文提出一種應用于無人機控制系統的智能故障診斷系統，以此可以促進無人機控制系統的故障診斷率和準確性得到提升，有效保障無人機飛行的安全。該文先對故障診斷技術的概念進行簡單分析，接著針對無人機控制系統的結構和功能及智能故障診斷需求進行全面分析，實現智能故障診斷系統設計。并從系統主要功能模塊和軟硬件方面對智能故障診斷系統進行設計，最后經實驗測試證明，該文設計的智能故障診斷系統，可以實現對無人機控制系統的故障問題進行全面診斷，以此證明該系統設計的可行性。

關鍵詞：無人機故障診斷；無人機控制系統；智能診斷；技術分析；安全控制

中圖分類號：V249.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）12-0134-04

Abstract： As the core part of UAV， the operation state of UAV control system has a direct impact on the flight safety of UAV. However， there are many fault diagnosis problems in the application process of UAV control system. Based on this， this paper proposes an intelligent fault diagnosis system applied to UAV control system， which can promote the fault diagnosis rate and accuracy of UAV control system and effectively ensure the safety of UAV flight. In this paper， the concept of fault diagnosis technology is first described with simple parameters， and then the structure and function of UAV control system and the requirements of intelligent fault diagnosis are comprehensively analyzed to realize the design of intelligent fault diagnosis system. The intelligent fault diagnosis system is designed from the main functional modules and software and hardware aspects of the system. Finally， the experimental test proves that the intelligent fault diagnosis system designed in this paper can achieve a comprehensive diagnosis of the fault problems of the UAV control system， which proves the feasibility of the system design.

Keywords： UAV fault diagnosis; UAV control system; intelligent diagnosis; technical analysis; safety control

無人機飛行中控制系統作為主要系統，控制系統的穩定性和運行狀態對無人機的飛行質量和安全等有著直接的影響。因此，為進一步保障無人機飛行的安全性，需要利用故障診斷技術對無人機控制系統進行全面的、準確的實時故障位置診斷，并及時對故障問題進行處理。而專家系統作為一種利用某領域知識進行推理解決問題的計算機程序，在無人機控制系統故障診斷時可以幫助工作人員解決診斷、調度規劃及設計制造等問題。所以，故障診斷專家系統在設備管理和診斷維修方面得到了廣泛的應用，且對于故障診斷的效率和故障診斷的準確性等方面的提升有很大的促進作用。那么，在智能故障診斷系統設計時利用專家系統技術進行設計，可以充分實現對無人機控制系統進行故障診斷和故障解決，從而為無人機的飛行安全提供保障[1]。

1" 智能故障診斷系統需求分析

1.1" 系統功能需求

無人機控制系統智能故障診斷系統主要是基于執行機構及傳感器在無人機控制功能的基礎上，實現故障診斷功能的設計研究。同時，該設計具備實時信息采集功能、數據特征提取分析功能及系統故障診斷功能。因此，針對智能故障診斷系統的設計，本文選擇利用濾波方法機械能構建一個完善的智能故障診斷系統。該系統在應用過程中，當無人機在飛行時控制系統發生故障，那么智能故障診斷系統就可以實現對無人機飛行控制系統的故障狀態和正常狀態不同特征的把控，而此類型故障狀態所表現出來的信息差異就是故障特征的外在表現。所以，智能故障診斷系統設計主要由數據采集、狀態監測、故障診斷和故障評價等功能構成[2]。

1.2" 性能需求

智能故障診斷系統的應用主要嵌入在無人機控制系統上，因此針對系統的每個主要功能模塊的任務周期及執行時間等方面有著更高的要求。所以，在模塊設計方面存在時序邏輯不當或控制邏輯不合適等問題時，就會導致系統發生崩潰的現象，甚至會造成無人機發生事故。因此，在進行智能故障診斷系統設計時，需要滿足實時性、可靠性及可維護性等特點。

2" 無人機控制系統智能故障診斷系統總體設計

2.1" 系統總體架構設計

針對無人機控制系統的智能故障診斷系統總體架構設計，主要是結合無人機故障診斷的特點而設計。該系統的設計能夠對無人機控制系統的設備進行測試，從而獲取無人機飛行控制過程中系統及機載設備等方面存在的故障問題及正常或異常的特征型號，然后將其和故障知識庫當中的規則進行配比，利用推理機對檢測到的信息進行推理判斷是否存在故障。如果系統存在故障，那么該系統會自動標識故障點并給出相應的故障原因，以此為無人機控制系統的飛行提供相應的判斷與決策[3]。而本文設計的智能故障診斷系統，主要由人機接口、故障知識庫及綜合數據庫等多個部分構成，具體如圖1所示。

2.2" 系統硬件設計

2.2.1" 串口模塊

從系統硬件設計方面來看，需要借助串口模塊實現航插接口采集機載設備的信息，同時還實現了對數據的重組和分析，再利用CAN總線將其發送到目標節點上。這時，處理器模塊接收到由CAN總線上傳輸的信息，就會響應外部的控制指令，并結合所設計的控制策略，對無人機進行控制。利用指定的接口輸出到相應的無人機機載設備當中，這樣一來就能夠實現對故障診斷系統的內部數據流動。因此，串口模塊和處理器模塊的選擇對故障診斷系統的性能方面有著一定的影響。所以，本文在系統設計時選擇利用PowerPC系列的處理器芯片，該芯片具有較高的擴展能力和運算能力、系統軟件開發功能等，能夠充分滿足智能故障診斷系統的需求[4]。同時，串口模塊的設計，實現了無人機控制系統與外部機載設備兩者之間數據交互和指令輸出的媒介。并且還為設備冗余提供可能，從而提高了無人機飛行狀態數據的精準性。

2.2.2" 系統內部總線設計

內部總線設計是無人機控制系統中不可缺少的一部分，同時也是實現無人機控制系統內部的各個功能節點之間相互連接的橋梁。因此，內部總線的設計能夠實現節點與節點之間的實時、可靠的數據通信服務，并為無人機的控制提供相應的連接支持。而智能故障診斷系統中處理器模塊作為核心功能，在內部總線的應用線，可以對無人機控制系統的狀態進行檢測，并進行故障診斷和及時隔離處理等。而航空常用的總線主要有3種類型：CAN總線、ARINC659和1553B總線。而本文選擇利用傳輸數量高、成本低及復雜程度低的CAN總線，作為智能故障診斷系統的內部總線，可以滿足實際需要[5]。

2.3" 系統主要功能模塊設計

無人機控制系統的智能故障診斷系統是一個多任務、高并發的系統。因此，在進行智能故障診斷系統的關鍵環節設計時，可以從數據采集管理模塊、系統狀態監測模塊、故障診斷模塊、故障處置模塊、人機接口模塊及數據通信模塊等方面進行設計，具體如圖2所示。并且，智能故障診斷系統的主要任務就是對無人機在飛行過程中傳感器及執行機構的運行狀態進行實時監測，并對其存在的異常狀態進行相應的故障診斷、故障評價及故障處理等操作。同時，智能故障診斷系統的設計，主要以VxWorks實時操作系統為主要平臺，且該操作系統的應用從實時性方面和穩定性方面要遠遠超過其他系統。所以，該系統在應用過程中，其多任務并行和固定優先級處理機制的設計，使得無人機控制系統的設計、開發與維護等功能模塊的實現變得更加高效和便捷[6]。

2.3.1" 數據采集管理模塊

數據采集管理模塊的設計，在無人機控制系統的智能故障診斷系統中，利用通信協議在一定程度的頻率上，接收傳感器，并和執行機構傳輸的數據幀，進行重新組幀之后，就能夠得到無人機實時狀態的數據參數[7]。因此，當獲得相應的信息之后，就需要根據信息擇優選擇，實現對多源傳感器所提供的無人機狀態信息進行擇優選擇，然后進行信息間的融合。最后，利用濾波對所采集和處理后的信息進行估計，以此為后期故障診斷提供相應的依據，具體數據采集管理流程如圖3所示。

2.3.2" 系統狀態監測模塊

該模塊的設計，主要是借助對信息源的信息進行優選之后，再對狀態進行融合最優化估計，以估計的狀態為參考，對系統的測量狀態進行監測。而由無人機控制計算機傳輸的無線數據包，在通過數據通信模塊的應用后，可以吸納Udine存儲設備當中的數據緩存進行讀取和操作，并更新到界面當中，形成數據波形。

2.3.3" 故障診斷模塊

該模塊的設計主要是在狀態監測基礎上設計而成，可以實現對無人機控制系統的異常狀態進行智能故障監測，并對異常狀態進行計算和估計，以此形成故障診斷模型。而針對無人機控制系統的傳感器設備，智能故障診斷系統可以實現對簡單的故障進行快速檢測，比如無人機控制系統上的GPS數據失效、數據精度及校準故障等問題。借助對傳感器的狀態進行解析，實現故障診斷。然后，以故障狀態為主要依據，對不同類型傳感器的設備測量信息進行對比分析，從而實現對無人機控制系統的故障檢測與診斷。

2.3.4" 故障處置模塊

此模塊的設計主要作用于無人機控制系統故障發生之后，對發生故障的危害程度進行相應的評價，并結合實際情況和故障危害等級，選擇對應的故障解決措施，以此降低無人機控制系統當中已知故障給系統整體性帶來的危害和影響，從而為無人機在飛行控制范圍中，正常飛行任務的實現提供保障。同時，也可以通過中止無人機控制操作，使得無人機安全降落到地面。并且，該故障處置模塊還能夠自動生成故障結果和相關信息，然后通過位置參數表示或者相關條件判斷，觸發系統報警，而智能故障診斷系統可以結合故障的類型進行相應的故障處理。

2.3.5" 數據通信模塊

數據通信模塊的設計可幫助智能故障診斷系統獲取到無人機控制系統的飛行參數數據。因此在進行通信協議制定設計時，需要根據特定的幀格式對串口數據進行分析，并實施數據采集分析。而數據通信模塊主要由操作系統模塊、接口控制和總線模塊2個方面構成。其中，操作系統模塊的設計，主要是通過任務和無人機控制系統的硬件設備之間的結合，完成任務調度工作、任務數據通信及內存管理等操作。而總線模塊和接口控制模塊設計，主要是對數據通信接口的控制，以及實現智能故障診斷系統和總線當中其他相關節點之間的通信連接服務，從而完成控制器模塊和串口模塊之間的數據交互。

2.4" 綜合數據庫設計

綜合數據庫的設計，包含了故障知識庫和專家的意見。因此，在綜合數據庫設計時，需要正確認識并掌握無人機控制系統的測試與維護等方面的相關知識。其次，本文設計的智能故障診斷系統的綜合數據庫主要是對每個故障單元的故障因素及對應的故障維修方法進行存儲，以此為無人機控制系統的故障分析及維修等工作的實施提供相應的數據支撐。并且，綜合數據庫當中存儲的信息是否完整和準確對無人機控制系統的故障維護有著直接影響。所以，針對綜合數據庫的設計需要具備極高的實用性與科學性。

3" 實驗驗證及結果分析

3.1" 驗證分析

在針對本文所設計的智能故障診斷系統的功能進行驗證測試時，選擇利用黑盒測試的方式來實現。本次測試涉及智能故障診斷系統中的主要功能模塊，并在測試過程當中選擇利用邊界值法，借助一組正常的數據和一組非正常邊界數據對系統進行測試，以此來判斷故障診斷結論的準確性，以及本文設計的系統是否能夠滿足故障定位的精準性，能否滿足系統的需要等。

3.2" 智能故障診斷功能測試分析

為進一步證明本文設計的無人機控制系統智能故障診斷系統的診斷能力和效果的可行性，選擇利用系統故障注入的測試方法。同時，利用故障注入到設備當中或者利用外界因素來改變設備的工作狀態，以此對系統的故障進行診斷。因此，當設備沒有進行故障注入時，所測試的系統故障診斷結果均顯示正常狀態，具體見表1。

同時，為更好地對無人機控制系統的設備故障進行診斷，接著利用故障注入到各個設備當中，再利用本文設計的智能故障診斷系統對無人機控制系統中存在的故障問題進行診斷分析[8]。且故障注入設備的故障特征和設備發生的故障時的故障特征相同，經測試故障注入后的設備故障測試結果見表2。

由表1和表2可知，本文所設計的智能故障診斷系統，能夠對無人機控制系統的設備中所注入的故障進行準確的診斷。同時，這也進一步證明該故障診斷系統設計的可行性，能夠為無人機的飛行安全提供相應的保障。

4" 結束語

綜上所述，無人機控制系統作為保障無人機安全飛行的關鍵，本文通過對無人機控制系統的功能與結構等方面進行分析，以此研究無人機控制系統的故障診斷技術。同時，為了進一步對無人機控制系統中存在的故障問題進行全面診斷，本文結合專家系統和無人機控制系統，設計開發了一種智能故障診斷系統，該系統設計的實現為無人機控制系統的維護和故障診斷測試提供了一種高效的工具。經實驗證明，此系統在應用過程中取得了良好的效果，能夠充分滿足無人機控制系統的故障診斷需求。同時，該系統的設計，可以幫助工作人員及時地對無人機故障位置進行精準定位，這樣一來既降低了維修的時間，還使得其準確性得到了提高。

參考文獻：

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[3] 陳曉飛，賈勇，韓芳.基于遙測數據分析的無人機故障診斷系統設計[J].計算機測量與控制，2021，29（7）：21-25.

[4] 郭雷，余翔，張霄，等.無人機安全控制系統技術：進展與展望[J].中國科學（信息科學），2020，50（2）：184-194.

[5] 劉瀚澤.基于機器學習的無人機飛控故障智能診斷系統研究[D].成都：電子科技大學，2021.

[6] 劉浩.基于事件觸發的無人機飛行控制系統故障檢測方法研究[D].青島：山東科技大學，2021.

[7] 時曉宇.無人機飛控系統的故障診斷與容錯控制技術研究[D].成都：電子科技大學，2021.

[8] 苗建國，王劍宇，張恒，等.無人機故障診斷技術研究進展概述[J].儀器儀表學報，2020，41（9）：56-69.