一種臨近空間太陽能無人機自主故障診斷及應急處理策略*

蒙文躍 楊延平 溫 陽 戶艷鵬,2 馬曉平

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

0 引言

高空長航時太陽能無人機依靠機翼上鋪設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、留空時間長、作業(yè)范圍廣、可重復使用等特點，可執(zhí)行應急信息保障、戰(zhàn)區(qū)預警、通訊中繼、偵查監(jiān)視等軍事任務以及大氣研究、災害監(jiān)測、互聯(lián)網(wǎng)服務等民用任務[1]。美國和英國研發(fā)太陽能無人機較早，我國從20世紀90年代起，北京航空航天大學、西北工業(yè)大學等高校開始了對太陽能無人機的研究，直至今日，中國航天科技集團、中國科學院、中國航空工業(yè)集團等多家單位均在大力開展太陽能無人機平臺的研發(fā)。當前，自主化和智能化作為無人系統(tǒng)的重要發(fā)展方向成為學術(shù)和工程領(lǐng)域研究的熱點和難點。

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，其可靠性對無人機至關(guān)重要，而飛控計算機的故障檢測診斷及應急處理是飛控系統(tǒng)可靠性的重要組成部分?，F(xiàn)有關(guān)于飛行器故障檢測及應急處理研究中，集中在特定類型無人機的具體設備研究，如系統(tǒng)性設計了針對飛控系統(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)故障診斷專家知識庫結(jié)構(gòu)組成[4-5]；針對高速飛行無人機，提出了一種基于決策網(wǎng)絡進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)了深度學習在故障診斷領(lǐng)域中研究現(xiàn)狀，描述了基于4種深度學習模型的故障診斷思路[7]。研究了某型無人機的故障重構(gòu)技術(shù)[8-9]，特別是故障診斷與容錯控制策略。上述研究均是針對故障診斷具體機構(gòu)進行的單方面檢測設計，目前為止，關(guān)于高空太陽能無人機類型的飛控系統(tǒng)自主故障診斷及應急處理策略方面，系統(tǒng)的研究相對較少，也少有資料可供參考，這是因為：首先，高空長航時太陽能無人機通常具有大展弦比、氣彈形變、低速飛行等特點，需要針對特性制定故障診斷標準；其次，太陽能無人機設備類型龐大復雜，包含多種類型傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，研發(fā)成本和難度高[10]；此外，無人飛行器空中計算和通信能力有限，難以實時完成大規(guī)模復雜運算的地空信息交互[11-12]，需要研究飛行任務中的自主決策邏輯。

圖1 臨近空間球載太陽能無人機[13]

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

1)結(jié)合太陽能無人機低速飛行和大升阻比等特點，應急處理策略更側(cè)重于頂層規(guī)劃，適用于太陽能無人機驗證飛行試驗階段，是一種平臺和系統(tǒng)級的故障診斷和應急處理策略，部分填補了太陽能無人機平臺級故障應對策略的空白；

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

3)本文設計的自主故障診斷策略涉及傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、動力系統(tǒng)、電源控制設備、測控數(shù)據(jù)鏈、飛控計算機以及飛控精度、穩(wěn)定性，幾乎涵蓋了無人機上的所有航電設備及飛行狀態(tài)的狀態(tài)監(jiān)測和相關(guān)故障診斷，設計更加全面，具有實際應用參考價值。

1 故障診斷邏輯建模

太陽能無人機在故障類型和處理策略上較傳統(tǒng)無人機的應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系統(tǒng)的自主故障診斷及應急處理。本文設計的邏輯策略與方法，是面向自主化設計的實時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關(guān)鍵步驟，通過圖2中的處理邏輯實現(xiàn)，包括以下步驟：

圖2 故障診斷及應急處理診斷邏輯

1)確定太陽能無人機上的單機設備類型，確定單機故障單元；

2)統(tǒng)計除單機設備故障以外的其他異常情況，確定其他故障單元；

3)對每種故障單元劃分故障類型，確定故障判定及解除判定方法；

4)根據(jù)故障對無人機平臺的影響程度，劃分應急等級及相應等級下的應急處理策略；

5)給每種故障單元對應的故障類型確定應急等級及應急處理策略；

6)確定應急判斷及邏輯處理總則。

2 自主故障診斷方案設計

自主故障診斷及應急處理方案設計依據(jù)圖3完成，重點分為故障單元確定、故障類型劃分及故障/解除判定方法、應急等級及處理策略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)太陽能無人機整機設備情況具體分析。

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

除對機上單機設備的工作狀態(tài)進行監(jiān)測外，還應關(guān)注太陽能無人機的飛行狀態(tài)是否正常，如是否在沿預定的航線飛行、飛行速度與給定速度是否一致、無人機的飛行姿態(tài)是否正常等。相應故障單元可以歸納為飛控精度和無人機穩(wěn)定性，詳見表1。

2.2 故障類型的判定和解除

對于單機類型故障，當單機能夠輸出自身工作狀態(tài)標志時，則根據(jù)工作狀態(tài)標志判定單機是否故障，當無相關(guān)工作狀態(tài)標志輸出時，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)鍵設備與故障單元劃分表

表2 部分故障類型判定及解除方法

故障判定的進入及解除應根據(jù)飛行階段、單機通信周期的不同設定合適的幀次或時間門限，遵循“嚴進嚴出”原則，避免故障狀態(tài)頻繁切換。

2.3 應急等級及處理策略

根據(jù)故障對無人機平臺的影響程度劃分應急等級及相應等級下的應急處理策略。具體地，按照故障嚴重程度的不同，可將各故障類型劃分為I、II、III應急等級，詳見表3。

I級應急：嚴重影響無人機安全的故障；處理策略以最大程度保護無人機及機上設備，為直接開傘或給固定舵偏執(zhí)行飄落。

II級應急：影響無人機任務執(zhí)行效果或可能影響無人機安全的故障；處理策略為加大著陸窗口，進回收航線著陸。

表3 故障判斷及應急策略

III級應急：不影響無人機飛行任務的故障；處理策略為僅給出故障告警，地面操作人員根據(jù)故障標志獲知故障類型，并決策是否采取干預措施。

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

具體地，對于在加速滑跑階段即發(fā)生的故障，應及時采取措施終止起飛，因此應歸入I級應急等級，應急處理策略為終止起飛；對于空中飛行段，諸如主、備慣導均失效和無人機失穩(wěn)等嚴重影響無人機安全的故障，也應歸入I級應急等級，當無人機高度大于開傘高度時開傘，否則執(zhí)行飄落。

在非加速滑跑段，對于主慣導組合導航異常、主慣導導航數(shù)據(jù)無效但備份航姿儀正常，大氣機、舵機、電機、能源系統(tǒng)、測控數(shù)據(jù)鏈、飛控計算機等一般嚴重故障，則歸為II級應急，故障發(fā)生時應加大著陸窗口，使無人機進入回收航線，執(zhí)行回收操作。

而對于非加速滑跑段的備份航姿異常但主慣導正常、無高表異常、前輪轉(zhuǎn)向舵機故障但其他舵機均正常、電機過載等，則只需要報故障標志，仍繼續(xù)當前飛行任務，此為III級應急。

3 應急判斷及邏輯處理原則

實際飛行過程中，可能涉及多故障并發(fā)而需要進行應急等級轉(zhuǎn)換的情況。例如無人機上同時發(fā)生多種故障，而各故障的應急等級和應急處理措施相應不同，應以哪個為準；再例如無人機先判斷發(fā)生了一種故障，一段時間后故障消失，此時應急等級及應急處理措施是否需要更新；以及當操作人員通過地面站手動發(fā)送應急命令時，無人機響應命令應轉(zhuǎn)入幾級應急處理策略等等。為此應制定總體原則，使得上述情況下的應急等級轉(zhuǎn)換確定有序，避免在多故障并發(fā)時出現(xiàn)邏輯時序的混亂。

針對上述問題，本文制定應急判斷及邏輯處理應遵循的總體原則，具體如下：

1)當有多種故障同時發(fā)生時，按最高級別應急處理；

2)自主故障診斷及應急處理系統(tǒng)可根據(jù)故障類型的變化執(zhí)行應急等級升級，但不能執(zhí)行應急等級降級，當判定故障解除時，僅清除相應的故障標志，不改當前的應急等級及處理邏輯；

3)通過地面站發(fā)命令手動進應急模式時，默認進入II級應急。

4 自主故障診斷及應急處理仿真驗證

依據(jù)上述策略設計半實物仿真驗證平臺(圖4)。將表1中列出的慣導、舵機、飛控計算機、測控數(shù)據(jù)鏈接入半實物仿真系統(tǒng)，無法參與仿真的無線電高度表、大氣機、動力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)均在仿真計算機中以數(shù)學模型進行模擬，并按真實的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議經(jīng)測試電纜與飛控計算機通訊。運行該閉環(huán)仿真系統(tǒng)，并在仿真過程中針對特定設備人為引入故障，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 半實物仿真驗證平臺

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)應急處理策略，飛控模式切換為應急模式(II級應急等級)并進入應急回收階段，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

高空長航時太陽能無人機具有大展弦比、高空低速、大升阻比、設備繁多復雜等特點，對應的飛控系統(tǒng)的故障診斷和應急處理設計十分重要，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的自主故障診斷及應急處理策略，基于實際全機設備，從平臺級故障層面實施頂層規(guī)劃設計，提高了無人機在飛行任務中的自主決策能力，此外，所設計邏輯策略實施靈活，即可作為飛控內(nèi)嵌代碼，也可作為獨立軟件模塊被機載軟件調(diào)用，無需增加硬件成本，具有實際參考意義。