CN101672657A - 基于多余度惯性测量信息的故障判断方法 - Google Patents

Abstract

基于多余度惯性测量信息的故障判断方法，所述的多余度用N表示，N≥3，方法步骤如下：(1)对N路惯性测量器件当前周期输出的脉冲转换为N路物理量信息Txi，i＝1、2…N；(2)将物理量信息Txi与Txj进行求差，并将得到的差值与预设的门限ε_x进行比较，若差值超过预设的门限ε_x，则设标志Δθ_ij为1，否则Δθ_ij为0；i＝1、2…N，j＝1、2…N且j≠i；(3)将与第i路有关的所有标志Δθ_ij相加得到F_Txi，若F_Txi大于等于预设的阈值M，并且不等于F_Tx1、F_Tx2、…F_TxN中的最小值，则表明第i路物理量信息Txi存在错误，即第i路惯性测量器件有故障；否则，则认为第i路惯性测量器件无故障；所述的预设的阈值M取值范围2～N－1；(4)等待N路惯性测量器件下一周期的输出脉冲，从步骤(1)循环执行。

Description

基于多余度惯性测量信息的故障判断方法

技术领域

本发明可以应用于惯性导航系统领域，解决针对多余度测量信息如何鉴别故障信息的故障判断方法。

背景技术

在惯性导航系统中，通常采用惯性仪表对系统的绕心运动(角速度)和质心运动(加速度)进行测量，并将测量结果用于导航。如果用了冗余机制，对于同一物理量具有多个测量信息，那么可以在某些仪表出现故障的情况下，保持整个惯性导航系统正常工作，在这个时候，对于故障仪表的准确鉴别是非常重要的。

国内，目前采用冗余机制的惯性导航系统，多采用主备份形式，在故障诊断方面，将主备份信息进行比较，或者在单个设备内部进行诊断，如果有故障发生，则把整个设备定义为故障、不具体区分哪路信息发生故障，这种故障定位方式浪费资源。另外，根据测量范围有效区间对单路测量信息进行故障判别的方法难以鉴别与正常输出差别较小的故障形式。

国外有采用多余度冗余机制的惯性导航系统的报道，但是具体关于故障诊断方面未见详细的介绍。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于多余度惯性测量信息的故障诊断方法，该方法通过多路信息进行比较，能够诊断出具体哪路信息发生故障，诊断准确度高，漏判率低。

本发明的技术解决方案是：基于多余度惯性测量信息的故障判断方法，所述的多余度用N表示，N≥3，方法步骤如下：

(1)对N路惯性测量器件当前周期输出的脉冲转换为N路物理量信息Txi，i＝1、2...N；

(2)将物理量信息Txi与Txj进行求差，并将得到的差值与预设的门限ε_x进行比较，若差值超过预设的门限ε_x，则设标志Δθ_ij为1，否则Δθ_ij为0；i＝1、2...N，j＝1、2...N且j≠i；

(3)将与第i路有关的所有标志Δθ_ij相加得到F_Txi，若F_Txi大于等于预设的阈值M，并且不等于F_Tx1、F_Tx2、...F_TxN中的最小值，则表明第i路物理量信息Txi存在错误，即第i路惯性测量器件有故障；否则，则认为第i路惯性测量器件无故障；所述的预设的阈值M取值范围2～N-1；

(4)等待N路惯性测量器件下一周期的输出脉冲，从步骤(1)循环执行。

所述步骤(1)转换过程中可以对N路惯性测量器件当前周期输出的脉冲进行工具误差补偿后再转换。

所述步骤(1)转换后的N路物理量信息Txi进行多个周期累加或滚动累加，i＝1、2...N。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明将惯性测量器件的多路信息进行比较，与常用的采用单路信息单独进行故障诊断的方式相比，本发明能够检测出更小的故障，诊断准确度高，漏判率低。

(2)本发明能够通过比较和判断确定出具体的故障位置，有利于对故障的隔离，与主备份整台设备判别相比，资源利用率高。

(3)本发明通过选取不同的阈值M，可以对故障诊断的苛刻程度进行控制，适用于不同的工程要求，适用范围广。

(4)本发明对同一物理量具有N路(N≥3)独立测量信息的情况下，可以同时或顺序鉴别其中的(N-2)路故障，在N增加或减少的情况下，诊断方法不变。所谓顺序鉴别是指本发明是一项随时间连续循环判别的方法，当多个故障分别在不同时刻发生时，可以通过连续判别将故障分别鉴别出来。在已认定某路彻底故障的情况下(具体可以在该路信息连续K次故障或累计K次故障时将其认定为彻底故障)，将故障信息隔离开，故障判断方法则由对N路测量信息进行判断变为对N-1路测量信息进行判断，其流程、方法不变，实现简单。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

本发明对于针对同一物理量具有N路(N≥3)独立测量信息的情况，根据测量信息进行故障判别，可以同时或顺序鉴别其中的(N-2)度故障。

下面以四冗余信息(N＝4)为例，对本发明作详细介绍，如图1所示，步骤具体如下：

(1)对4路惯性测量器件当前周期输出的脉冲转换为4路物理量信息Tx1、Tx2、Tx3、Tx4；

当所述的惯性测量器件为陀螺时，转换的物理量信息为角增量信息，当惯性测量器件为加速度计时，物理量信息为视速度增量。

根据不同的惯性测量器件的特点，转换过程中可以对4路惯性测量器件当前周期输出的脉冲进行工具误差补偿。

例如，对于挠性陀螺的输出轴X轴来说，角增量信息Tx1的补偿计算公式为：

Tx1＝Kx1·Px1+D0x1+…

其中，Px1为陀螺X1轴当前周期输出的脉冲；

Kx1为陀螺X1轴脉冲当量；

D0x1为陀螺X1轴的零次项误差；

省略项可以包括陀螺的安装误差、与过载相关的一次项误差等。

脉冲当量Kx1、零次项误差D0x1、安装误差、与过载相关的一次项误差等数据通过对陀螺的标定得到。

转换过程中可以对4路惯性测量器件的输出进行多周期累加或滚动累加。例如，对于挠性陀螺的输出轴X轴来说，角增量信息Tx1的补偿和累加计算公式为：

$\mathrm{Tx}1=\stackrel{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Σ}}(\mathrm{Kx}1\·\mathrm{Px}1+D0x1+...)$

其中，是对括号中的内容在Δt时间段内进行累加，即对Δt时间段内陀螺X轴的所有输出进行累加。

其它参数意义同上。

滚动累加是指随着时间的推进，不断将最新的测量数据累加进来，同时扣除较早的数据，使累加值时刻保持为最近的Δt时间段内的数据累加和。

(2)将物理量信息两两求差(即Txi与Txj进行求差，i＝1、2...N，j＝1、2...N且j≠i)，并将得到的差值与预设的门限ε_x进行比较，若差值超过预设的门限ε_x，则设标志Δθ_ij为1，否则Δθ_ij为0；

如果|Tx1-Tx2|＜ε_x，则Δθ₁₂＝0，否则Δθ₁₂＝1；

如果|Tx1-Tx3|＜ε_x，则Δθ₁₃＝0，否则Δθ₁₃＝1；

如果|Tx1-Tx4|＜ε_x，则Δθ₁₄＝0，否则Δθ₁₄＝1；

如果|Tx2-Tx3|＜ε_x，则Δθ₂₃＝0，否则Δθ₂₃＝1；

如果|Tx2-Tx4|＜ε_x，则Δθ₂₄＝0，否则Δθ₂₄＝1；

如果|Tx3-Tx4|＜ε_x，则Δθ₃₄＝0，否则Δθ₃₄＝1；

上述预设的门限ε_x根据惯性测量器件的测量误差σ来确定，一般取6σ～9σ，惯性测量器件的测量误差σ是在对惯性测量器件进行标定后得到的，至于具体的标定方法是本领域的公知技术，这里不再详细进行说明，举个例子说明一下：

例如，陀螺的0次项测量误差σ为0.2°/h，一次项测量误差σ在x、y、z三个方向分别为0.2°/(h·g)、0.25°/(h·g)、0.15°/(h·g)，对应方向的最大加速度分别是8g、2g、1g，则门限ε_x可以取：

6×(0.2+0.2×8+0.25×2+0.15×1)＝14.7°/h≈0.004°/s

上述给出的例子只是简单的示例门限ε_x的确定方法，实际工程应用中，考虑的误差项可能更复杂，而且不同器件考虑的误差项也有所不同，如激光陀螺的一次项一般很小，可以忽略，而随机游走项需要考虑，等等；另外，上式计算采用了代数和相加的方式，也可以采用均方和等其它数学处理方式，如：

本领域技术人员根据上述示例就可以类推出其它复杂的确定的方法，这里不再赘述。

(3)将与第i路有关的所有标志Δθ_ij相加得到F_Txi，若F_Txi大于等于预设的阈值M，并且不等于(F_Tx1、F_Tx2、...F_TxN)中的最小值，则表明第i路物理量信息Txi存在错误，即第i路惯性测量器件有故障；否则，则认为第i路惯性测量器件无故障；

令F_Tx1＝Δθ₁₂+Δθ₁₃+Δθ₁₄

F_Tx2＝Δθ₁₂+Δθ₂₃+Δθ₂₄

F_Tx3＝Δθ₁₃+Δθ₂₃+Δθ₃₄

F_Tx4＝Δθ₁₄+Δθ₂₄+Δθ₃₄

F_min＝min(F_Tx1，F_Tx2，F_Tx3，F_Tx4)

如果F_Txi＞M且F_Txi＞F_min，则认为第i路惯性测量器件有故障；否则，则认为第i路惯性测量器件无故障；

其中min()表示取括号中各数据的最小值。

上述阈值M可取值2或3，当对惯性测量器件的精度要求更严格时，M一般取较小的值，即M＝2。

当M取3(即M取最大值)时，可以采用下述判别方式代替：

如果(Δθ₁₂·Δθ₁₃·Δθ₁₄)＝1，则认为第1路惯性测量器件有故障；否则，则认为第1路惯性测量器件无故障；

如果(Δθ₁₂·Δθ₂₃·Δθ₂₄)＝1，则认为第2路惯性测量器件有故障；否则，则认为第2路惯性测量器件无故障；

如果(Δθ₁₃·Δθ₂₃·Δθ₃₄)＝1，则认为第3路惯性测量器件有故障；否则，则认为第3路惯性测量器件无故障；

如果(Δθ₁₄·Δθ₂₄·Δθ₃₄)＝1，则认为第4路惯性测量器件有故障；否则，则认为第4路惯性测量器件无故障；

(4)等待4路惯性测量器件下一周期的输出脉冲，从步骤(1)循环执行；

在具体应用过程中，还可以在上述循环几个周期后，判断每路惯性测量器件出现故障的次数，根据出现故障的次数将出现故障次数多的惯性测量器件切除，后续故障诊断过程中将不再考虑该切除的器件，从而转化为只有3路测量信息的故障判断。

本发明方法经过仿真试验验证，在人为的给出一个或多个故障信息后，采用本发明能够快速、准确地诊断出来，仿真结果如下表所示：

序号	故障仿真类型	故障加入方式和时间	仿真结果
				1	单路信息故障	从50s开始，Tx1输出脉冲数每周期增加4个	能够检测出Tx1故障
2	单路信息故障	从200s开始，Tx2输出脉冲数每周期增加4个	能够检测出Tx2故障
				3	两路信息在不同时刻故障	从50s开始，Tx1输出脉冲数每周期增加4个；从100s开始，Tx4输出脉冲数每周期减少5个；	能够检测出Tx1和Tx4故障
4	两路信息在同时刻故障	从50s开始，Tx2输出脉冲数每周期增加4个，Tx3输出脉冲数每周期减少5个；	能够检测出Tx2和Tx3故障

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1、基于多余度惯性测量信息的故障判断方法，其特征在于：所述的多余度用N表示，N≥3，方法步骤如下：

(1)对N路惯性测量器件当前周期输出的脉冲转换为N路物理量信息Txi，i＝1、2...N；

(2)将物理量信息Txi与Txj进行求差，并将得到的差值与预设的门限ε_x进行比较，若差值超过预设的门限ε_x，则设标志Δθ_ij为1，否则Δθ_ij为0；i＝1、2...N，j＝1、2...N且j≠i；

(3)将与第i路有关的所有标志Δθ_ij相加得到F_Txi，若F_Txi大于等于预设的阈值M，并且不等于F_Tx1、F_Tx2、...F_TxN中的最小值，则表明第i路物理量信息Txi存在错误，即第i路惯性测量器件有故障；否则，则认为第i路惯性测量器件无故障；所述的预设的阈值M取值范围2～N-1；

(4)等待N路惯性测量器件下一周期的输出脉冲，从步骤(1)循环执行。

2、根据权利要求1所述的基于多余度惯性测量信息的故障判断方法，其特征在于：所述步骤(1)转换过程中可以对N路惯性测量器件当前周期输出的脉冲进行工具误差补偿后再转换。

3、根据权利要求1或2所述的基于多余度惯性测量信息的故障判断方法，其特征在于：所述步骤(1)转换后的N路物理量信息Txi进行多个周期累加或滚动累加，i＝1、2...N。

4、根据权利要求1或2所述的基于多余度惯性测量信息的故障判断方法，其特征在于：所述步骤(2)中的预设的门限ε_x根据惯性测量器件的测量误差σ来确定，一般取6σ～9σ。

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