基于工控網關架構的無人機機艙設備故障診斷方法

徐東 黃海艇 劉典勇 蘇道靜

摘要：文章提出了一種基于工控網關架構的無人機機艙設備故障診斷方法，具體介紹了系統的硬件、軟件組成，并對該方法的工作原理和實現方法進行了介紹。結果顯示當無人機機艙設備發生故障時，該方法可準確地診斷故障，提高無人機的安全性和自動化程度。

關鍵詞：工控網關;無人機;故障診斷

中圖分類號：V241 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）09-0102-07

近年來，無人機因操作簡單、工作效率高等特點廣泛地應用于航拍、農業、軍事等領域。無人機系統通常由飛行控制系統、動力系統、GPS導航系統、無線電臺傳輸系統以及其它任務系統組成。無人機系統工作時，可同時完成多項任務，當機艙內部發生故障時，輕則影響無人機飛行作業的精度，重則導致無人機系統失靈，出現墜機事故。現有的無人機系統發生故障時，約90%的故障檢測和診斷過程都在飛行控制器中完成，該過程在無人機系統工作時會占用一部分內存，影響系統工作。當前無人機故障的診斷基本依賴于事后工程師的經驗性分析，然而支持分析工作的信息僅限于發生故障造成的結果以及機艙設備可能保存的一些警告信息等，開展無人機機艙設備診斷工作困難并且需要花費大量時間才能診斷出故障發生的原因。

工控網關作為物聯網和工控系統的核心組件，使用不同的通信協議、數據格式或語言、在相同或者不同結構的兩種體系之間進行數據的移動，是目前最復雜的網絡互連設備，工控網關在自動控制系統中起著承上啟下的作用。由于工業現場的設備通訊通常都遵守一定的規約格式，這些規約其實由大量的國際工業巨頭制定的標準，他們發布這些標準，一方面是為了實現自己產品才有的特色，另一方面，也是為了更多地推廣自己生態鏈內的產品。常見規約都是跟著PLC走的，比如施耐德：modbus，西門子：Profibus/Profinet，羅克韋爾：DFl/EthernetIP，三菱：CCLink等。但是在工業現場涉及的產品種類非常多，使用的協議也不相同，然而設備和設備，系統和系統之間一定有相當多信息要互相溝通，才能達成整體自動化。因此，工控網關把不同的語言轉換成同一種語言，這樣整個系統才能達成統一。

因此文章結合現有的無^機機艙設備診斷技術，提出了一種基于工控網關的無人機機艙設備故障診斷方法，該方法由故障發生的分系統發送無人機通用故障代碼到飛行控制器中，飛行控制器解譯故障代碼，并與標準故障代碼庫中的代碼匹配，查找并顯示出該故障代碼對應的診斷信息，使用工控網關技術能夠自動進行搜集故障信息和提供診斷結果。該方法在一定程度上提高了無人機機艙設備診斷系統的安全『生和自動化程度。

1.故障診斷工作原理

1.1無人機機體模型

1.3電量

目前市場上的無人機大多數采用鋰電池作為動力來源，鋰電池在工作過程中，電壓會隨著放點過程逐漸降低，并且電壓變化率也會隨著電池電量的變化而變化。通過搜集不同型號的鋰電池，統計了額定電壓為12V的鋰電池在放電過程中的電壓變化，結果如圖1所示。

診斷系統首先根據接收的電池參數確定電池的電量和類型，同時計算當前已消耗的電量。為保證無人機的作業安全，當無人機電池電量低于額定電壓的30%時，就向系統發出報警信號，系統根據警告信號進一步的對電池故障進行檢測，當剩余電量大于5%時發出報警。另外當無人機電量充足的過程中，檢測無人機的飛行姿態角，姿態角度大于70°時，表明無人機飛行不穩定，有墜機危險，并及時向系統發出報警信號。

1.4飛控系統故障

2.系統組成

針對無人機作業過程中常見的故障問題，文中提出了一種基于工控網關的故障診斷系統，對無人機機艙設備故障進行診斷，該系統的硬件組成如圖3所示。便攜式的工控計算機作為總線控制器，同時外接各種總線儀器，便于現場診斷過程中顯示和輸出診斷結果。

2.1硬件模塊

工控網關作為物聯網和工控系統的核心組件，使用不同的通信協議、數據格式或語言、在相同或者不同結構的兩種體系之間進行數據的移動，是目前最復雜的網絡互連設備，工控網關在自動控制系統中起著承上啟下的作用。文章將Modbus Master通信協議用于工控網關中，物理端口支持RS485。便攜式工控機采用Intel core i78700型，內存為64GB。主要完成無人機機艙設備故障診斷過程中的故障信息的存儲、數據分析整理、解譯故障代碼并生成診斷維修報告。工控機還對傳回的數據進行分類處理，同時完成對數據的分析，包括頻譜分析和波段分析等，最后顯示檢測和診斷的結果，也可以完成人機交互功能。

二通道的智能數據采集卡用于對無人機發送的數據波形、時序在線監視和測量，以及完成對接受的信號進行頻譜分析和波段分析，并將分析結果儲存。該數據采集卡的采樣頻率為50MHz，分辨率為6bit，帶寬為20MHz。

通用信號測試卡主要用于對無人機上各種電信號檢測，主要包括陀螺儀信號、各旋翼電機信號、氣壓傳感器信號、GPS信號、飛行參數信號（飛行高度、飛行速度和航向角等）、電源電壓參數等，這些信號主要以電壓、電流、電阻和邏輯測試檔等形式出現。為滿足不同機型的無人機在各種環境下測試，采用適配器來滿足對無人機各個接插口的實時監測。

2.2軟件模塊

基于工控網關的無人機機艙設備故障診斷系統的軟件采用模塊化思想設計，主要包含有測試管理模塊、知識庫管理模塊、診斷信息獲取模塊、故障診斷模塊以及維修管理模塊。軟件的工作示意圖如圖4所示。

測試管理模塊主要完成對智能數據采集卡和通用信號測試卡等的管理，通過測試無人機的各種性能指標參數、波形及時序分析，并實現對信號的儲存和分析。知識庫管理模塊主要由規則庫、故障樹模型庫、故障事例庫以及維修資料庫組成。該模塊為知識庫的建立和維護提供開放式的操作。即用戶可方便地對這些庫進行輸入、修改、添加、刪除及瀏覽操作。用戶通過搜集無人機作業故障的診斷信息，通過對上述的庫進行添加操作，豐富庫資源，提高無人機故障診斷的精度。診斷信息獲取模塊由數據采集，征兆數據庫和交互獲取三部分組成，通過自動和交互兩種方式獲取與診斷推理有關的信息。有些信息可通過自動測試平臺自動獲取，對于難于獲取的信息可以通過專家分析后才能獲得的信息則必須通過交互方式得到。

故障診斷模塊由框架推理、模型推理和規則推理三部分組成。它根據獲得的故障信息首先進行框架推理，啟動故障征兆對應的系統級框架，然后啟動相應的故障搜索樹模型框架，進而進行規則推理，直至將故障定位到可更換的位置。故障診斷模塊工作流程圖如圖5所示。維修管理模塊主要是將每次故障診斷與維修的結論生成維修情況報告表，如果故障征兆數據庫中沒有本次故障征兆，則將本次故障作為事例存人事例數據庫。用戶界面則是為了方便實現人機交互功能，用戶可根據界面上的引導選擇相關功能，系統根據用戶的選擇試驗相應的功能。

2.3故障診斷結果

無人機機艙設備故障診斷軟件在Windows7環境下采用C#語言在Microsoft Visual Studio中編程開發的。Microsoft Visual Studio（簡稱VS）是美國微軟公司的開發工具包系列產品，VS是一個基本完整的開發工具集，它包括了整個軟件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代碼管控工具、集成開發環境（IDE）等。故障診斷軟件采用模塊式設計，用戶可根據自身需要選擇相應功能。

為檢測故障診斷軟件的靈敏度和診斷精度，進行了相關的試驗驗證。實驗中，采用四旋翼無人機作為測試無人機，無人機的相關參數如表1所示。

試驗過程中分別設置了無人機常見的三種故障類型，分別是恒增益故障、恒偏差故障和卡死故障，分別測試不同故障類型情況下系統特性與正常運行情況下的系統特性對比。同時為了驗證所提出的基于工控網關的無人機機艙設備故障診斷方法的有效性，使用Matlab2016的Simulink插件進行仿真試驗，通過對無人機機艙相關設備進行施加故障，并輸出仿真結果。

當無人機系統無故障時，仿真結果如圖6所示。

由圖中曲線可得，當無人機系統無故障時，故障標志為0，作動器實際輸出與解析輸出變化趨勢一致，殘差基本為零，系統工作狀態正常。

當對無人機系統施加信號產生卡死故障時，輸出的仿真結果曲線如圖7所示。由圖7中曲線可知，當無人機系統發生卡死故障時，實際輸出與解析輸出變化趨勢不同，隨著步數的增加，殘差值逐漸變大，故障標志由正常狀態下的0變為1。由仿真結果可看到，無人機在第210步時發生卡死，系統診斷出故障時的采樣步數為215步，由此可推算出系統診斷出卡死故障的時間為0.05s。

當對無人機系統施加恒增益故障時，仿真時設置的增益變化值為0.5，輸出的仿真結果如圖8所示。

由圖8中的曲線可知，當系統發生恒增益故障時，實際輸出與解析輸出出現偏差，殘差值的變化趨勢為先增大后減小，故障標志由正常狀態下的0變為故障標志1。仿真結果顯示，恒增益故障發生在215步，當故障診斷系統檢測到故障時，采樣步數為218步，因此可推算出，故障診斷系統檢測時間為0.03s。

仿真時，對無人機系統施加恒偏差故障信號時，仿真結果如圖9所示。

由圖9中的曲線可知，無人機系統發生恒偏差故障時，實際輸出與解析輸出變化趨勢不同，殘差值迅速變化，并穩定在-1左右，因此表明恒偏差的度數為1度。故障標志位由正常狀態的0變化為故障標志1。輸出結果顯示，系統接收到恒偏差故障時的步數為220步左右，當診斷系統檢測到恒偏差故障時的采樣步數為225步，由此可推算故障診斷系統的響應時間為0.05s。

為檢測系統診斷故障的準確率，試驗一共進行了20組試驗，并統計了每次試驗的準確率，準確率曲線如圖10所示。

由圖10中曲線可知，20次重復試驗的診斷準確率都在96%以上，表明所設計的無人機機艙設備故障診斷系統可準確的診斷出無人機系統的故障。

3結語

基于工控網關技術開發了無人機機艙設備故障診斷系統，該系統利用工控網關技術可同時對飛行控制系統、動力系統、GPS導航系統、無線電臺傳輸系統以及其它任務系統的接口信號快速、準確地進行波形、時序以及電參數等測量分析。結合故障診斷庫系統，通過對故障信號解譯獲取故障信息，并給出診斷結果和解決措施，該系統具有較強的故障診斷能力，經過仿真測試可知，系統診斷故障的準確率高于96%，表明系統穩定可靠、準確性良好。另外基于c#語言的人機交互界面，可實現人機友好交互，采用適配技術，具有良好的通用性和可擴展性。該系統為便攜式系統，方便實時對無人機系統進行檢測，當無人機出現故障時，快速準確診斷出結果，并在報警前給出處理方法，有效避免了無人機飛行風險，在無人機領域有一定的發展前景和發展潛力。