無人機系統(tǒng)自平衡容錯控制與故障診斷

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(1.空軍工程大學 裝備管理與無人機工程學院，西安 710043；2.航空工業(yè)自控所慣性技術(shù)航空科技重點實驗室，西安 710065)

0 引言

隨著自主控制高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代裝備日趨向更為集成化、智能化、復雜化的方向深入研究。而無人機作為新興作戰(zhàn)裝備，由于其“機上無人”的特點，可在超越人生理極限的環(huán)境中執(zhí)行任務，因此已經(jīng)越來越廣泛的應用于軍事活動，執(zhí)行偵察監(jiān)視、反恐打擊等任務。但正是由于無人駕駛的特性，這對無人機的預測與健康管理(Prognostics and Health Management, 容錯控制與故障診斷)提出了更高的要求。容錯控制與故障診斷技術(shù)誕生于美國陸軍直升機系統(tǒng)[1]，并在F-35項目中首次被具體提出，在后續(xù)的管理系統(tǒng)中得到了廣泛的應用與拓展[2-8]，實現(xiàn)了對全系統(tǒng)全面的系統(tǒng)故障檢測、預測以及健康狀態(tài)管理，從根本上改變了“事后維修”、“定期維修”的維修方式，而發(fā)展成“視情維修”的即時維修方式，甚至“事前維修”的預測維修方式。

目前，容錯控制與故障診斷系統(tǒng)的應用在國內(nèi)外都進行了廣泛的研究并已經(jīng)逐步得到應用，如文獻[9-10]關(guān)注于武器裝備系統(tǒng)的故障預測與健康管理，提出針對武器裝備進行視情維修的檢測方式，極大減少了裝備維護成本，文獻[11]提出一種給予只能決策理論的故障預測方法，在裝備出故障前即可診斷出可能發(fā)現(xiàn)故障的時間與部位，防患故障于未然，提高了裝備的安全性，其余研究還有集成控制航天器的管理[12]，飛行器故障監(jiān)測系統(tǒng)[13]，集成化的故障預測系統(tǒng)[14]以及相關(guān)的容錯控制與故障診斷研究工作[15-17]。容錯控制與故障診斷發(fā)展研究過程如圖1所示，可以看出，容錯控制與故障診斷研究是從事后維修、視情維修，到預測維修的一種不斷推進的研究過程。

圖1 容錯控制與故障診斷發(fā)展研究過程

論文參考國內(nèi)外容錯控制與故障診斷研究相關(guān)文獻，通過引入生物行為學中的“自平衡理論”[18]，將無人機的完備狀態(tài)設(shè)為平衡點，保證UAV的生存設(shè)為原始內(nèi)驅(qū)力，保證UAV任務完成設(shè)為次要內(nèi)驅(qū)力，依據(jù)故障預測與健康管理(容錯控制與故障診斷)技術(shù)，以機載設(shè)備的傳感器信息為基礎(chǔ)進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測與故障預測，結(jié)合無人機的“機上無人”特性，構(gòu)建“優(yōu)先生存完好性，次要任務完成性”的機制，在根據(jù)所構(gòu)建的自平衡函數(shù)判斷無人機無法保證生存完好性時，此時轉(zhuǎn)換無人機為自殺式飛行器，確保任務的順利完成。仿真實驗證明此方法不僅將容錯控制與故障診斷與生物行為學進行有效結(jié)合提供了新穎的故障診斷與健康管理思路，并且充分考慮無人機的特性，將容錯控制與故障診斷不僅作為故障管理手段，更作為攻擊判別武器，極大拓寬了容錯控制與故障診斷的應用思路與前景。

1 自平衡理論建模

1.1 自平衡理論

自平衡理論是Hull等人在1943年通過研究生物的覓食、生存等行為，而提出的基于內(nèi)驅(qū)力的知名理論，該理論指出所有的行為都可被理解為兩種結(jié)果：

1)原始內(nèi)驅(qū)力：原始內(nèi)驅(qū)力是內(nèi)在的，它存在的目的是保護生物體的生存，比如饑餓或者口渴，都是生物體生存的必要因素。

2)次要內(nèi)驅(qū)力：次要內(nèi)驅(qū)力是在滿足原始內(nèi)驅(qū)力的過程中形成的，即在滿足原始內(nèi)驅(qū)力的基礎(chǔ)之上，生物的目的性、好奇性等，它存在的目的是促進生物體的進化。

Hull等認為，原始內(nèi)驅(qū)力和次要內(nèi)驅(qū)力目的都是保證生物進化生存下去，更為重要的是，它們是自我平衡的。也就是說，對于一個生物系統(tǒng)，存在完美的“設(shè)定點”，并且原始內(nèi)驅(qū)力與次要內(nèi)驅(qū)力都是為生物體接近該設(shè)定點而服務的。例如，當生物體的某部分機能損壞時，它可能預先感到自身的狀態(tài)從而提前采取措施(如感到寒冷，它可能會發(fā)抖或移向陽光來增加體溫)。換言之，自我平衡使得生物具有一種“回歸平衡”的能力，即在環(huán)境改變、機體受損等破壞生物體穩(wěn)態(tài)時達到平衡的功能。

1.2 無人機自平衡理論模型

根據(jù)Hull等人提出的自平衡理論，可以構(gòu)建基于無人機自平衡理論模型如圖2所示。首先確定無人機系統(tǒng)的平衡點，即無人機所有機載設(shè)備處于出廠完好狀態(tài)并能正常工作的點，此時無人機能夠充分發(fā)揮自身性能。在確定無人機平衡點之后需要構(gòu)建自平衡函數(shù)來判斷無人機是否處于平衡點附近，若處于平衡點附近則代表無人機完好無故障，此時根據(jù)自平衡函數(shù)記錄設(shè)備的剩余壽命，即無人機處于“已平衡”狀態(tài)，在飛行時僅正常考慮原始、次要內(nèi)驅(qū)力并在執(zhí)行完任務后不需要進行過多的健康管理；若自平衡函數(shù)判斷無人機處于“未平衡”狀態(tài)，則需要根據(jù)無人機機載傳感器信息判斷未平衡的裝備并進行故障預測，并在飛機完成任務后進行健康管理；若無人機處于無平衡狀態(tài)，此時無人機不能繼續(xù)進行使用，如發(fā)動機故障等致命故障，此時優(yōu)先考慮次要內(nèi)驅(qū)力，即保證任務完成而忽略原始內(nèi)驅(qū)力(如無人機在執(zhí)行任務中遇到致命故障，此時基于自平衡函數(shù)的容錯控制與故障診斷對故障預測判斷無人機無法安全返航，則將無人機作為自殺式武器進行使用，這是根據(jù)無人機的“機上無人”特性對容錯控制與故障診斷的合理應用，即無法保證無人機安全進行健康管理的情況下，優(yōu)先執(zhí)行任務)。

圖2 無人機自平衡理論模型

2 基于自平衡理論的無人機容錯控制與故障診斷模型原理

2.1 無人機容錯控制與故障診斷系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

如圖3所示，無人機容錯控制與故障診斷系統(tǒng)主要是由機載容錯控制與故障診斷系統(tǒng)和地面容錯控制與故障診斷系統(tǒng)兩部分組成。機載容錯控制與故障診斷系統(tǒng)主要由動力系統(tǒng)(飛機發(fā)動機以及保證飛機發(fā)動機正常工作所必需的系統(tǒng)和附件)、航電系統(tǒng)(如通信系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)等)、機載武器系統(tǒng)(如導彈系統(tǒng)、航炮控制系統(tǒng)等)、無人機系統(tǒng)狀態(tài)在線評估系統(tǒng)以及機載狀態(tài)提示與預警系統(tǒng)等；地面容錯控制與故障診斷系統(tǒng)部署在地面控制站，主要由四部分組成：維修決策與規(guī)劃系統(tǒng)、故障檢測與隔離系統(tǒng)、維修管理系統(tǒng)以及狀態(tài)評估與預測子系統(tǒng)。地面與機載信息交互通過數(shù)據(jù)存儲與流轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)信息的實時交互，機載信息通過該系統(tǒng)傳輸?shù)降孛孢M行記錄、計算，機載控制指令通過上行線路傳出到無人機控制無人機飛行。

圖3 無人機容錯控制與故障診斷系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.2 無人機自平衡函數(shù)

文獻[19]提出裝備的剩余壽命是一種裝備故障(或可能出現(xiàn)故障)隨時間發(fā)展變化的過程。將無人機系統(tǒng)的裝備退化過程用一個狀態(tài)空間模型進行描述，可以得到狀態(tài)空間與裝備剩余壽命之間的關(guān)系，繼而可以進行故障預測并在該基礎(chǔ)上對裝備故障進行隔離、修復等健康管理操作。假設(shè)機載傳感器可以實時監(jiān)測無人機的系統(tǒng)狀態(tài)，在監(jiān)測時刻k檢測到當前裝備故障狀態(tài)空間為X，則根據(jù)裝備的剩余壽命推算公式可推算出k+p時刻的故障概率為：

(1)

則可得無人機裝備到k+p時刻剩余壽命的期望為：

(2)

最終可構(gòu)建單個設(shè)備的剩余壽命PDF如圖4所示，其中監(jiān)測時間為當前進行故障預測的時間，剩余壽命為當前監(jiān)測時間進行故障預測后所預測的設(shè)備剩余可工作時間。

圖4 無人機自平衡函數(shù)

無人機設(shè)備的自平衡函數(shù)sk函數(shù)為加權(quán)之后的平衡函數(shù)：

(3)

其中：PDF為剩余壽命，CF為無人機全壽命周期，α為區(qū)間置信度，ω1和ω2分別為對應的權(quán)值系數(shù)。

則可構(gòu)建無人機的總體自平衡函數(shù)Sk為在當前監(jiān)測時間下，所有設(shè)備信息的綜合函數(shù)：

(4)

其中：λi為單個設(shè)備對無人機的影響因子。當Sk值大于設(shè)定閾值，認為無人機可靠，否則認為無人機需要進行健康管理，甚至在執(zhí)行任務中被當作自殺式武器進行投放。

3 基于自平衡理論的無人機容錯控制與故障診斷模型工作流程

如圖5所示的無人機的容錯控制與故障診斷系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)，將所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲與流轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，共同監(jiān)測無人機的工作狀態(tài)。在無人機日常飛行時，通過加載在飛機上的機載傳感器感知無人機的實時狀態(tài)，將狀態(tài)數(shù)據(jù)通過總線傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊，進行大數(shù)據(jù)的特征提取與分類，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。在分類后可以得到設(shè)備的裝備信息，是完好、部分損壞或全部損毀。所有處理過后的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)存儲于流轉(zhuǎn)，傳遞到狀態(tài)評估與預測模塊，通過對數(shù)據(jù)的融合，判斷無人機當前狀態(tài)信息，得出設(shè)備故障原因及狀態(tài)，并通過自平衡函數(shù)規(guī)劃判斷無人機能否安全返航或進行自殺式襲擊。最后以指令的形式發(fā)送給無人機命令，并根據(jù)機載記錄設(shè)備進行效果評估。

而在無人機在執(zhí)行任務時，機載監(jiān)控設(shè)備實時監(jiān)控無人機的各個設(shè)備狀態(tài)，無人機通過機載信息中心將狀態(tài)數(shù)據(jù)進行融合處理，并通過數(shù)據(jù)分析，判斷無人機當前是否處于正常工作狀態(tài)(或者異常狀態(tài))，在裝備正常工作時，無人機執(zhí)行任務；裝備輕微故障，無人機通過數(shù)據(jù)鏈向地面站發(fā)送故障信息，并接受地面指令，待返航后進行無人機的健康管理；當無人機受到致命故障(如發(fā)動機、油箱)，無法完成返航，需要第一時間向地面站發(fā)送異常信息，并以自身為代價繼續(xù)執(zhí)行任務。

圖5 基于自平衡理論的無人機容錯控制與故障診斷模型工作流程

4 仿真結(jié)果與分析

假設(shè)無人機的任務為從起點開始到任務點進行低空穿越打擊，途中需要經(jīng)過地方防空火力區(qū)環(huán)境如圖6所示，其中三角代表火力地面放空火力所在點，圓圈代表地面火力打擊范圍，無人機經(jīng)過防空火力區(qū)時，故障概率分別如圖中標注所示，分別為0.3,0.6,0.2和0.2。

圖6 無人機的打擊路線及環(huán)境圖

則可以得到無人機安全完成任務并返航的航跡以及受到致命打擊無法返航的航跡如圖7、圖8所示。

圖7 無人機安全完成任務返航路線圖

圖8 無人機受到致命打擊無法返航路線圖

由圖7可以看出，淺色為無人機前去進行目標打擊的航線，而深色為無人機打擊任務完成后，安全返航的航線?？梢钥闯觯瑹o人機能夠從低空進行威脅規(guī)避，到達目標點，安全完成任務，最終返航。

而圖8僅有無人機規(guī)避障礙前去進行打擊的紅色航線，這是由于在打擊目標處，無人機收到了致命打擊，故障檢測處理系統(tǒng)提取到無人機的系統(tǒng)信息，并通過自平衡函數(shù)診斷出無人機沒有安全返航的能力，即把無人機作為自殺式武器，從而對敵方造成更為有效的打擊。

在圖7和圖8所示的兩條路線中，隨機抽取數(shù)據(jù)點標注無人機的裝備狀態(tài)信息如表1所示，可以看出，基于自平衡理論的無人機容錯控制與故障診斷模型可以實時監(jiān)控無人機的故障信息并給出故障預測概率，并以此為基礎(chǔ)，判斷無人機是否可以完整返航、故障返航或者不進行返航。拓展了容錯控制與故障診斷理論的應用意義。

表1 無人機狀態(tài)信息

5 結(jié)束語

設(shè)計了基于自平衡理論的無人機容錯控制與故障診斷系統(tǒng)模型，充分應用Hullian的自平衡理論，根據(jù)原始內(nèi)區(qū)力與次要內(nèi)區(qū)力分別構(gòu)建無人機函數(shù)，以無人機平衡點為中心，構(gòu)建各個設(shè)備的自平衡函數(shù)并在此基礎(chǔ)上綜合，設(shè)計無人機總體自平衡函數(shù)，判斷無人機是否應該進行健康管理，亦或在執(zhí)行任務途中作為自殺式武器。

研究深入拓展了容錯控制與故障診斷的理論研究與應用背景，提出了容錯控制與故障診斷系統(tǒng)應用的新思路。后續(xù)研究將關(guān)注于無人機各個設(shè)備的信息融合及特征提取，并將該理論研究與仿真在實物上進行逐步實踐。