CN103759740B - 一种巡视器静态时陀螺故障自主诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种巡视器静态时陀螺故障自主诊断方法，能够利用巡视器静止状态下待测角速度已知且稳定的条件，不需要姿态信息，对四个陀螺进行故障诊断。该方法基本流程为：首先，建立四个陀螺输出之间的冗余关系；然后，对冗余关系的一致性进行判断，判断导致不一致的故障源，由故障诊断策略定位故障陀螺。

Description

一种巡视器静态时陀螺故障自主诊断方法

技术领域

本发明涉及一种适用于巡视器静态时的陀螺故障诊断方法，本方法不需要姿态先验知识，且计算简便，占用系统资源少，易于工程实现，可应用于静态情况下四个陀螺的自主故障诊断。

背景技术

巡视器配备了四个陀螺（三个正交安装，一个斜置安装），用于运动时姿态估计。陀螺故障会导致动态姿态预估错误，因此需要研究陀螺自主故障诊断方法。

卫星和飞船上的陀螺故障诊断方法一般采用平衡方程的方法，该方法需要有四个以上陀螺才能实现故障定位，四个陀螺只能实现故障检测，无法检测故障。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：由于四个陀螺不满足故障可诊断条件，因此基于平衡方程的陀螺诊断方法无法应用。本发明利用巡视器静态时陀螺组待测角速度稳定的条件，实现陀螺的自主故障诊断。

本发明采用的技术解决方案：

一种巡视器静态时陀螺故障自主诊断方法，步骤如下：

（1）建立用于描述陀螺输出之间的一致性关系；

（2）根据步骤（1）中建立的一致性关系，利用故障诊断逻辑定位故障陀螺。

所述步骤（1）建立用于描述陀螺输出之间的一致性关系具体为：

三个正交陀螺的敏感轴依次为X、Y、Z轴，且X、Y、Z轴两两正交，斜装陀螺敏感轴为S轴，S轴与X、Y、Z轴的夹角分别为α₁、α₂、α₃，α₁、α₂、α₃∈（0°，180°）且α₁、α₂、α₃≠90°；

四个陀螺输出可以建立以下一致性关系：

$S_{\mathrm{xyz}}=\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_x}^2+{{\mathrm{\ω}}_y}^2+{{\mathrm{\ω}}_z}^2}$

$S_{\mathrm{syz}}=\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sx}}}^2+{{\mathrm{\ω}}_y}^2+{{\mathrm{\ω}}_z}^2}$

$S_{\mathrm{xsz}}=\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_x}^2+{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sy}}}^2+{{\mathrm{\ω}}_z}^2}$

$S_{\mathrm{xys}}=\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_x}^2+{{\mathrm{\ω}}_y}^2+{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sz}}}^2}$

不考虑陀螺噪声和偏差时，陀螺输出之间应满足S_xyz=S_syz=S_xsz=S_xys；

其中：ω_x、ω_y、ω_z分别为X、Y、Z轴陀螺的测量值，ω_sx、ω_sy、ω_sz分别为X轴、Y轴、Z轴陀螺测量与S轴陀螺测量之间的冗余关系，满足：

ω_sx=(ω_s-cosα₂ω_y-cosα₃ω_z)/cosα₁

ω_sy=(ω_s-cosα₁ω_x-cosα₃ω_z)/cosα₂。

ω_sz=(ω_s-cosα₁ω_x-cosα₂ω_y)/cosα₃

所述步骤（2）利用故障诊断逻辑定位故障陀螺具体为：

定义四个区间：T_i=[S₀-b_i,S₀+b_i]，i=0,1,2,3；其中区间中值S₀为已知的当地惯性角速度；区间宽度b_i根据正常情况下各个陀螺的测量偏差确定且包含测量偏差；

诊断逻辑：

$E_0=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{xyz}}\left(k\right)$

$E_1=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{syz}}\left(k\right)$

$E_2=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{xsz}}\left(k\right)$

$E_3=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{xys}}\left(k\right)$

若E_i∈[S₀-b_i,S₀+b_i]，i=0～3，且（j=0～3且j≠i），

则第i轴陀螺故障：i=0时对应S轴，i=1时对应X轴，i=2时对应Y轴，i=3时对应Z轴；其中：N为诊断窗口，为正整数。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

现有卫星一般采用平衡方程方法对四个以上陀螺进行故障诊断，当陀螺个数少于或等于四个时，无法进行陀螺故障诊断。本发明方法利用巡视器静态时待测惯性角速度已知且稳定这一特点，构造四个陀螺之间的冗余关系，利用简单易行的诊断逻辑，实现陀螺的自主故障诊断。

附图说明

图1为本发明中的陀螺安装示意图；

图2为四个陀螺均正常时的仿真曲线；

图3为X轴陀螺偏差增大故障的仿真曲线；

图4为Y轴陀螺偏差增大故障的仿真曲线；

图5为Z轴陀螺偏差增大故障。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。本发明提出一种巡视器静态时陀螺故障自主诊断方法，步骤如下：

（1）建立用于描述陀螺输出之间的一致性关系；

如图1所示，三个正交陀螺的敏感轴依次为X、Y、Z轴，且X、Y、Z轴两两正交，斜装陀螺敏感轴为S轴，S轴与X、Y、Z轴的夹角分别为α₁、α₂、α₃，α₁、α₂、α₃∈（0°，180°）且α₁、α₂、α₃≠90°；

四个陀螺输出可以建立以下一致性关系：

$S_{\mathrm{xyz}}=\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_x}^2+{{\mathrm{\ω}}_y}^2+{{\mathrm{\ω}}_z}^2}$

$S_{\mathrm{syz}}=\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sx}}}^2+{{\mathrm{\ω}}_y}^2+{{\mathrm{\ω}}_z}^2}$

$S_{\mathrm{xsz}}=\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_x}^2+{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sy}}}^2+{{\mathrm{\ω}}_z}^2}$

$S_{\mathrm{xys}}=\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_x}^2+{{\mathrm{\ω}}_y}^2+{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sz}}}^2}$

不考虑陀螺噪声和偏差时，陀螺输出之间应满足S_xyz=S_syz=S_xsz=S_xys；

其中：ω_x、ω_y、ω_z分别为X、Y、Z轴陀螺的测量值，ω_sx、ω_sy、ω_sz分别为X轴、Y轴、Z轴陀螺测量与S轴陀螺测量之间的冗余关系，满足：

ω_sx=(ω_s-cosα₂ω_y-cosα₃ω_z)/cosα₁

ω_sy=(ω_s-cosα₁ω_x-cosα₃ω_z)/cosα₂

ω_sz=(ω_s-cosα₁ω_x-cosα₂ω_y)/cosα₃。

（2）考虑陀螺测量偏差和噪声，对设定诊断窗口N之内的陀螺输出，根据步骤（1）中建立的一致性关系，利用故障诊断逻辑定位故障陀螺。

定义四个区间：T_i=[S₀-b_i,S₀+b_i]，i=0,1,2,3；其中区间中值S₀为已知的当地惯性角速度；区间宽度b_i根据正常情况下各个陀螺的测量偏差确定且包含测量偏差；

诊断逻辑：

$E_0=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{xyz}}\left(k\right)$

$E_1=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{syz}}\left(k\right)$

$E_2=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{xsz}}\left(k\right)$

$E_3=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{xys}}\left(k\right)$

若E_i∈[S₀-b_i,S₀+b_i]，i=0～3，且（j=0～3且j≠i），

则第i轴陀螺故障：i=0时对应S轴，i=1时对应X轴，i=2时对应Y轴，i=3时对应Z轴；其中：N为诊断窗口，为正整数，根据诊断实时性要求确定。判断区间大小b_i（i=0,1,2,3）根据陀螺测量偏差确定。

下面，以某陀螺具体构型为诊断对象，通过仿真实例验证本发明所述方法的有效性。图1所示中，α₁=α₂=α₃=54.735°，诊断窗口N=20，陀螺偏差稳定性为0.0004°/s。

仿真过程中模拟以下3种故障情况进行验证，分别是：

（a）X轴陀螺出现偏差增大故障，故障值为0.0012°/s；

（b）Y轴陀螺出现偏差增大故障，故障值为0.0015°/s；

（c）Z轴陀螺出现偏差增大故障，故障值为0.001°/s；

分别对以上3种情况进行仿真，仿真结果如图2至图5所示。

图2为四个陀螺均正常时的曲线，图中可以看出：E_i∈[S₀-b_i,S₀+b_i]，i=0，1，2，3；图3为X轴陀螺偏差增大故障，图中可以看出：E₁∈[S₀-b₁,S₀+b₁]，但图4为Y轴陀螺偏差增大故障，图中可以看出：E₂∈[S₀-b₂,S₀+b₂]，但图5为Z轴陀螺偏差增大故障，图中可以看出：E₃∈[S₀-b₃,S₀+b₃]，但 $E_j\∉[S_0-b_j,S_0+b_j](j=\mathrm{0,1,2}).$

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种巡视器静态时陀螺故障自主诊断方法，其特征在于步骤如下：

(1)建立用于描述陀螺输出之间的一致性关系；

(2)根据步骤(1)中建立的一致性关系，利用故障诊断逻辑定位故障陀螺；

所述步骤(1)建立用于描述陀螺输出之间的一致性关系具体为：

三个正交陀螺的敏感轴依次为X、Y、Z轴，且X、Y、Z轴两两正交，斜装陀螺敏感轴为S轴，S轴与X、Y、Z轴的夹角分别为α₁、α₂、α₃，α₁、α₂、α₃∈(0°,180°)且α₁、α₂、α₃≠90°；

四个陀螺输出可以建立以下一致性关系：

$S_{\mathrm{xyz}}=\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_x}^2+{{\mathrm{\ω}}_y}^2+{{\mathrm{\ω}}_z}^2}$

$S_{\mathrm{xyz}}=\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sx}}}^2+{{\mathrm{\ω}}_y}^2+{{\mathrm{\ω}}_z}^2}$

$S_{\mathrm{xsz}}=\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_x}^2+{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sy}}}^2+{{\mathrm{\ω}}_z}^2}$

$S_{\mathrm{xys}}=\sqrt{{{\mathrm{\ω}}_x}^2+{{\mathrm{\ω}}_y}^2+{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sz}}}^2}$

不考虑陀螺噪声和偏差时，陀螺输出之间应满足S_xyz＝S_syz＝S_xsz＝S_xys；

其中：ω_x、ω_y、ω_z分别为X、Y、Z轴陀螺的测量值，ω_sx、ω_sy、ω_sz分别为X轴、Y轴、Z轴陀螺测量与S轴陀螺测量之间的冗余关系，满足：

ω_sx＝(ω_s-cosα₂ω_y-cosα₃ω_z)/cosα₁

ω_sy＝(ω_s-cosα₁ω_x-cosα₃ω_z)/cosα₂；

ω_sz＝(ω_s-cosα₁ω_x-cosα₂ω_y)/cosα₃

所述步骤(2)利用故障诊断逻辑定位故障陀螺具体为：

定义四个区间：T_i＝[S₀-b_i,S₀+b_i]，i＝0,1,2,3；其中区间中值S₀为已知的当地惯性角速度；区间宽度b_i根据正常情况下各个陀螺的测量偏差确定且包含偏差；

诊断逻辑：

$E_0=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{xyz}}\left(k\right)$

$E_1=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{syz}}\left(k\right)$

$E_2=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{xsz}}\left(k\right)$

$E_3=\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{xys}}\left(k\right)$

若E_i∈[S₀-b_i,S₀+b_i]，i＝0～3，且j＝0～3且j≠i，

则第i轴陀螺故障：i＝0时对应S轴，i＝1时对应X轴，i＝2时对应Y轴，i＝3时对应Z轴；其中：N为诊断窗口，为正整数。