高度傳感器在無人直升機上的應用及故障分析

摘要： 為了預防無人直升機使用過程中發生與高度傳感器相關的故障，減小飛行安全事故的可能性，針對某型無人直升機在執行任務中發生的一次飛行故障，結合高度傳感器的工作原理和在無人機飛行控制中的應用，采用可靠性分析中的故障樹的方法，分析了存在的故障原因。最后針對出現的高度傳感器故障原因提出了解決和預防的方法。

關鍵詞： 無人機； 高度傳感器； 傳感器故障； 故障樹

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）06?0035?03

0 引 言

小型無人直升機在民用領域以及國防建設中有著廣泛的應用前景，其安全可靠性也越來越受到人們的重視。而保證微小型無人直升機安全飛行的前提則是機載傳感器系統的可靠性。機載傳感器是飛控系統的基礎部件，也是最容易產生故障的環節之一[1]。由于機載傳感器工作在高溫強振動的環境下，極易引起傳感器性能不穩定并引發故障。高度計是飛行器中重要的傳感器，對于飛行器的安全飛行與自主控制具有十分重要的作用，在日常使用無人直升機的過程中，發生過因為高度傳感器失靈，導致的飛行事故[2]。本文對高度傳感器在無人直升機中的應用進行研究，分析造成這一事故的原因，并提出了解決辦法。

1 高度傳感器在無人直升機飛控中的重要作用

1.1 常用的測量高度方法

用來測量飛行高度的方法有很多種，根據不同的測量原理可以測量出不同定義下的飛行高度。常用的有以下幾種：

（1）利用無線電波反射特性來測量飛行高度的方法，是將高度測量轉換為對時間的測量。電磁波在空中以光速c傳播且碰到地面能夠反射。因此，裝在飛機上的無線電發射機將電磁波發射到地面后，機上接收機的天線經Δt時間收到反射波，根據Δt可測出飛機的真實飛行高度H[3]。

（2）通過測量飛機垂直地面運動的線加速度來測量飛行高度，飛機相對于地面的垂向運動的距離（高度）h、速度V和加速度間的關系如式（1）所示[4]：

（1）

（3）通過測量大氣參數來測量飛行高度，在重力場內大氣的壓力、大氣密度均隨高度增高而減小，盡管各自的變化規律不同，但卻都是有規律可循的，于是，可以通過測量大氣壓力或大氣密度來間接測量飛行高度。

在使用的無人機上使用的高度傳感器，選用的是第三類方法的傳感器。其是由Honeywell公司生產的HPA200?W2DB高度傳感器，是一種硅壓阻式壓力傳感器，具有靈敏度高、后續電路簡單且集成化程度高、綜合精度較高、無傳動部件、性能穩定、可靠性高、體積小、質量輕，以及使用方便等優點，很適合在無人機上的應用。

1.2 高度傳感器的工作原理

根據發生故障時和飛機回收后地面測試的情況分析，發生的高度數據丟失有如下特點：

（1）故障發生在飛行過程中，且屬于突然發生，高度數據卡死，不再發生變化，而且出現故障后無人直升機沒能自行修復故障。

（2）地面測試時，重新開關機可以使無人機通過自檢，高度數據顯示恢復正常。斷開傳感器連線，出現數據丟失，不關機情況下重新連接，高度數據不能恢復。

（3）發生故障時的環境情況，沒有發現突發性天氣變化，氣象條件符合飛行要求。

從無人直升機飛行的氣象要求來看，當天的飛行完全符合飛行要求，事故發生后氣象部門，立即組織人員和裝備到發生事故的地點進行了連續的觀測，從氣象部門反饋的數據和提供的意見可以看出，當天飛行期間，并沒有出現風切變一類的突然天氣變化。氣象因素的影響很小。

通過前期的很多飛行來看，并沒有出現此類問題，應該說飛行的航線上沒有能夠干擾到遙測遙控信號的固定的遮擋物和干擾物。事故發生后，研究廠家的人員到事故現場用場強儀進行測試，也沒有發現干擾問題。在無人機出現故障的時刻，對無人機發出爬升盤旋指令，無人直升機能夠執行，同時陀螺狀態、GPS數據、航向數據等全部正常顯示，從地面鏈路的監控設備上的信號強度來看，遙測設備信號正常。無人直升機回收后，地面重新進行和地面設備進行調試，一切數據均正常，地面遙測并沒有出現故障。

對無人機在地面進行測試，在地面重新啟動無人直升機，設備能夠進行自檢通過，并能夠獲得高度數據，然后斷開高度傳感器，高度數據故障，再連接上高度傳感器，這時高度數據仍然故障，重新關機開機后，自檢能夠通過高度數據正常。可以判斷在空中故障時，高度傳感器硬件可能發生故障，高度傳感器不穩定或者連接線路松動的可能性較大，同時在飛控軟件上沒能考慮空中傳感器故障后，需要重新自檢以便硬件問題解決后，自行恢復顯示和提供數據的問題。

3 同類問題解決辦法

（1）飛行前的準備工作要充分細致，加強飛機的維護保養和飛行前的檢查工作，嚴格落實好飛行前準備規范對于高度傳感器的檢查項目，減少飛機震動和空中環境變化，引起的接觸不良和硬件故障[9]。

（2）按照使用時限及時請專業人員對無人機上的傳感器設備進行檢測和維修，如果達到返場時限，要及時返場，需要更換的要及時更換，確保傳感器的穩定性，保障飛行安全。

（3）及時更新飛控程序版本，在發現飛控軟件漏洞時，應當及時進行更正。研發廠家在研發和飛行過程中也在不斷的總結問題，對無人直升機的飛控程序不斷的完善更新，新的飛控程序要更加穩定可靠，在使用過程中要及時聯系研發單位，及時更新飛控程序到最新版本。

在使用過程中在高度傳感器出現故障后，高度傳感器卡死，不能再次自動檢測，需要重新開關機才能進行自檢，要解決這一個問題需要在飛控軟件中，增加出現故障后自動執行高度傳感器自動檢測的程序，防止高度數據失靈。簡單的程序更改就可實現，在飛控軟件中加入一小段程序，實現實時監控高度傳感器數據，一旦發生數據丟失時，發出指令返回自檢程序從新執行自檢[10]。

4 結 語

高度傳感器作為無人直升機上的一個重要傳感器，在飛行控制中作用重要，研究高度傳感器的原理和在無人機控制中的應用對于了解無人機很有意義。針對某型號無人直升機在一次飛行中出現的故障，采用可靠性分析的方法對其進行了全面的分析， 通過分析找到了這次故障的原因，高度傳感器的不穩定和飛控軟件上的一些問題，結合故障發生的過程和后期的處理方法，分析原因，有針對性地提出了預防此類問題的措施，為今后有效地預防此類問題，提高飛行的安全性與可靠性提供了參考， 從而降低了飛行事故的發生。

參考文獻

[1] 方曉，雷金奎，劉志剛.小型無人偵察機飛行控制系統設計[J].飛行力學，2004，22（1）：37?40.

[2] 龔慶祥.型號可靠性工程手冊[M].北京：國防工業出版社，2007：150?154.

[3] 文歡.小型無人機飛行控制方法研究[D].北京：裝備指揮技術學院，2008.

[4] 胡永紅.小型飛行器高度定位數據融合方法[J].傳感器技術，2003，22（6）：24?26.

[5] 楊炳尉.標準大氣的參數的公式表示[J].宇航學報，1983（1）：83?85.

[6] 袁智榮，王文襄.硅壓阻式壓力傳感器的一種溫度補償方法及應用[J].傳感器技術，1998，17（3）：25?27.

[7] 王忠學.飛行器控制系統概論[M].北京：北京航空航天大學出版社，1993.

[8] 魏選平，卞樹擅.故障樹分析方法及其應用[J].電子產品可靠性環境試驗，2004（3）：43?45.

[9] 師衛平，韓梅.無人機伺服機構用角度傳感器故障分析及對策[J].質量與可靠性，2011（2）：50?52.

[10] 彥本茲.自動檢測技術[M].北京：國防工業出版社，1992.