CN106774411B - 基于phm的无人机中间件系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于PHM的无人机中间件系统，该系统包括：接口模块、数据采集模块、系统管理模块和数据库；接口模块、数据采集模块、数据库和系统管理模块相连；接口模块用于和无人机进行对接；数据采集模块与接口模块相连，用于采集无人机的运行数据，并将运行数据输入到数据库；系统管理模块用于所述中间件系统中各个模块的管理；数据库用于将所述采集到的运行数据进行存储、整理、转换和规范，再传输到地面系统，或/和用于接受地面系统的更新参数。通过该中间件，可以采集无人机上运行数据的采集，避免了每次无人机都需要停到地面系统旁边进行数据传输，提高了数据采集的效率。

Description

基于PHM的无人机中间件系统

技术领域

本发明涉及无人机的PHM领域，具体涉及一种基于PHM的无人机中间件系统。

背景技术

PHM(故障预测与健康管理，Prognostics and Health Management)起源于航空行业，其通用的流程如图1所示。PHM在军机上采用的典型结构为：机载系统+接口+地面系统。机载系统携带简单的故障诊断及健康管理功能，其在移动过程中，实时采集机上需要监测的相关运行状态数据，并根据模型进行故障诊断。地面系统为完整的故障诊断及健康预测功能，其利用更多的信息和计算能力对机载系统采集的数据和故障判断进行确认和更进一步的分析；地面系统可以将更新后的模型、状态参数等回传给机载系统，为下次及以后的飞行提供更准确的模型和判定阈值。对确认的故障或预测到会发生的、危害较大的故障会安排维修计划及示警地面人员更换相关设备或进行相关维修，从而使得故障发生的概率大大减少，因此，可以极大的减少系统整体的维护成本。

PHM在航空业及那些贵重资产行业应用意义重大，但也存在着整体系统太复杂、实验成本太昂贵等弊端。

无人机(消费级)是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。因多种品牌的产品相对比较稳定，价格低廉，飞行能力强，被广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等，是近年来发展非常迅速的行业。

无人机飞行完一次之后，要飞回到地面系统旁边，通过接口，进行数据的传输，传输给地面系统以进行更进一步的分析。虽然无人机的体积较其他航空飞行器相比体积较小，但仍然存在体积偏大或场地限制等原因，紧靠接口很难方便地将数据传输给地面系统，而且每架无人机不可能每次都可以停到地面系统旁边传输，从而导致PHM系统使用不便，获取试验数据时间长，试验试飞效率低。

因无人机没有机上驾驶员的存在，只能由地面上的飞手进行操控，导致无人机出现物理碰撞等问题的概率大大增加。现有的无人机PHM系统通常移植“机载系统+接口+地面系统”常规PHM系统的架构，但这种架构采集的数据只包含飞行过程中相关参数的运行状态数据，并不包含各种物理或外在因素等导致的损坏或状态数据；而物理或外在因素所导致的状态数据，是运行数据或历史数据得到的数学模型所无法表达的，因此不能完整、全面地对无人机进行故障预测与健康管理。

现有的无人机多是个人爱好与个人维护，其PHM系统都是针对单机级的PHM系统，一个PHM系统针对一种类型的无人机，具有适用于该类型的无人机的机载系统、接口和地面系统，但其不能适用于其他类型的无人机。随着无人机的发展，无人机群的管理需求与日俱增；与单个无人机的维护系统不同，无人机群的管理系统面临各种各样的问题，尤其是无人机具有多种类型的问题，如：不同厂家、不同类型、不同架次、不同数据接口、不同类型电池、不同类型电机、不同的飞手使用等等。如何将多种类型的无人机通过一个PHM系统进行有效管理，尤其是将各种不同类型的无人机的数据进行传输，地面系统如何处理如此庞杂的数据等面临着巨大的挑战，如果管理不到位，无人机出问题的概率则会大大增加。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于PHM的无人机中间件系统，该中间件系统用于无人机的系统维护，并避免了每次数据的传输需要无人机回到地面系统旁，提高了数据的传输效率。

本发明提供了一种基于PHM的无人机中间件系统，该中间件系统包括：接口模块、数据采集模块、系统管理模块和数据库，所述接口模块、数据采集模块、数据库和系统管理模块相连；所述接口模块用于和无人机进行对接；所述数据采集模块与所述接口模块相连，用于采集无人机的运行数据，并将运行数据输入到数据库；所述系统管理模块用于所述中间件系统中各个模块的管理；所述数据库用于将所述采集到的运行数据进行存储、整理、转换和规范，以备输到地面系统，或/和接受地面系统的更新参数。

优选地，所述数据采集模块包括适配器。通过接口，适配器将无人机上采集的运行数据传输到中间件中，并导入至数据库中，由数据库进行存储、整理、转换和规范。

优选地，所述中间件系统还包括健康评估模块，所述健康评估模块和数据库相连，用于对无人机的物理状态进行健康评估，并将结果输入数据库，数据库再对健康评估结果进行存储、整理、转换和规范，再传输到地面系统。

进一步地优选，所述健康评估模块包括：状态描述单元、健康评估单元、评估准则单元和评估结果单元。

更进一步地优选，所述状态描述单元由飞手和/或维护人员共同维护；所述健康评估单元包括评估器和分类器。

更进一步地优选，所述健康评估模块的评估对象包括无人机的桨叶、电机、电池、炸机、发动机、发动机传动机构。

优选的，所述数据库包括MySQL数据库。

优选地，所述接口模块包括USB接口、无线接口、传感器接口、总线接口中的一种或几种。根据所需要连接的无人机的类型，添加相适应类型的接口。

通过如上所述中间件系统的接口模块，还可以和不同类型的无人机群进行对接，再通过适配器读取不同类型的无人机群数据，同时健康评估模块用于对不同类型的无人机群进行物理状态的健康评估；数据库用于将所述采集到的不同类型的无人机群的运行数据和健康评估结果进行整理、转换和规范，再将数据和结果传输到地面系统，或/和用于接受地面系统的更新参数。

该中间件系统为开放式的系统体系结构，具有“即插即用”的功能，即一方面可不断更新或加入新的模块，另一方面具有与其他系统进行信息交换和集成的能力。

本发明的有益效果为：通过该中间件系统的接口模块和数据采集模块，可以进行无人机上运行数据的采集，并传输给数据库进行存储；通过该中间件，再将数据传输给地面系统，避免了每次无人机都需要停到地面系统旁边进行数据传输，具有短时间、数据不积压的特点，提高了数据采集的效率，实现多场地管理。另外该中间件系统为轻量型中间件系统，具有系统简单，造价成本低的优点。

在进一步的优选方案中还能获得更多的优点：

通过中间件系统中的健康评估模块，将物理状态进行输入并进行健康评估，再统一存储至数据库中，作为无人机数据的进一步补充，有利于完整、全面地对无人机进行故障预测与健康管理，提高无人机的故障预测与健康管理效率。

通过不同的接口模块，可以对不同类型的无人机群进行对接，并通过适配器读取相应的数据，同时健康评估模块用于对不同类型的无人机群进行物理状态的健康评估，数据库将所述采集到的不同类型的无人机群的运行数据和健康评估结果进行存储、整理、转换和规范为统一的格式，有利于传输给地面系统进行统一计算和分析，避免对各种不同类型数据的处理而导致出现的问题，实现无人机多品种、多部件、多设备、多装配及多模型的故障预测与健康管理。该中间件系统也可以将地面系统更新好的参数传输给无人机或无人机群，为下次及以后的飞行提供更准确的模型和判定阈值。

附图说明

图1为本发明背景技术中PHM的流程图。

图2为本发明实施例基于PHM的无人机中间件系统的结构示意图。

图3为健康评估模块的工作流程图。

图4为健康评估模块的工作过程示意图。

图5为基于中间件系统的PHM系统结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图2所示，本实施例提供一种基于PHM的无人机群中间件系统，该中间件系统包括：接口模块101、数据采集模块102、健康评估模块103、系统管理模块104和数据库105，所述接口模块101、数据采集模块102、健康评估模块103、数据库105和系统管理模块104相连；所述接口模块101用于和无人机或无人机群进行对接；所述数据采集模块102与接口模块101相连，用于采集无人机或无人机群的运行数据，并将运行数据输入到数据库105中；所述健康评估模块103和数据库105相连，用于对无人机或无人机群的物理状态进行健康评估，并将健康评估结果输入数据库105；所述系统管理模块104用于所述中间件系统中各个模块的管理；所述数据库105用于将所述采集到的运行数据和健康评估结果进行存储、整理、转换和规范，以备传输到地面系统；或/和用于接受地面系统的更新参数。

该中间件系统可以采用笔记本计算机为载体，在笔记本计算机上使用开源数据库工具构建该轻量型中间件系统，完成无人机群机上数据采集、运行状态及物理状态健康评估，将数据转换为统一格式、再去向地面系统传输数据、并将获得更新后的参数拿回来再传输给机载系统。

通过该中间件，避免了每次无人机都需要停到地面系统旁边进行数据传输，具有短时间、数据不积压的特点，提高了数据采集的效率，实现多场地管理。另外该中间件系统为轻量型中间件系统，具有系统简单，造价成本低的优点。

考虑到不同的无人机有不同的数据传输接口，该中间件系统的接口模块包含但不限于业内常用的几种接口，如USB接口、大疆(或其他品牌)无线接口、蓝牙、WIFI等可以近距离接收各种传输信号接口；其他接口包括了地面检测需要的传感器及接口。如果在以后的应用中有新的特殊的新接口，可以根据需要安装该类系统的接口驱动即可。

通过该接口模块，通过某一个接口可以和单个或某一类型的无人机进行对接；通过多个接口，就可以与不同类型(不同数据接口、不同厂家、不同架次、不同等)的无人机群进行对接，用于无人机群的运行数据的采集，实现无人机的多品种、多部件、多设备、多装配及多模型，形成大数据融合与数据挖掘，具有十分重要的意义，为无人机群的故障预测与健康管理提供了更准确有效的手段。

数据采集模块通过各种适配器采集读取无人机群上的运行数据。

现有技术中针对无人机的PHM系统，完全采用传统载人飞行器PHM的系统结构：机载系统+接口+地面系统，但无人机不同于其他载人飞行器，其机上无驾驶舱，不具有载人的特性。无人机需要地面上的飞手对其进行操控，一方面，正是由于无人机上无人的状态，因主观方面的因素，即使无人机出现故障也不会损害人的健康，导致无人机出现故障(碰撞、摔机、桨叶折断等)的概率增加；另一方面，因客官方面的因素，各个飞手的操控水平不同，使得无人机发生故障的概率大大增加。

机载系统采集的数据只是飞行过程中产生的数字数据，而由各种主观因素或客观因素导致的外来损坏等物理状态数据不能够被记录。每次出问题的异常记录和部件是否能够继续工作需要飞手的描述或维护人员的判断，需要进行人机交互的处理，这种操作也不可以长时间占据PHM系统中的地面系统输入端。这样导致物理状态数据既不能在机载系统上实现，也不在地面系统上实现。

本实施例中的健康评估模块103为人机交互模块，由飞手或/和维护人员维护，但不限于飞手和维护人员。所述健康评估模块用于描述及评估飞行中发生的问题及修复过程中遇到的问题。

健康评估模块103包括状态描述单元1031、健康评估单元1032、评估准则单元1033和评估结果单元1034。通过状态描述单元，飞手对飞行状态、维护人员对修复问题等进行描述：正常或异常，如有异常，是哪方面的问题。如有异常，飞手和维护人员可一起给出相关健康评估。健康评估单元1032包括分类器和评估器，分类器用于对描述的问题状态进行分类，然后再根据评估准则，由评估器进行评估。健康评估模块的评估对象包括无人机的桨叶、电机、电池、炸机、发动机、发动机传动机构等。

健康评估模块的工作流程如图3所示，其工作过程示意图如图4所示。例如：飞手在对无人机进行操作过程中发现有问题，则进入分类处理，对相应部件问题进行分类，如果是最危险的一类，则作故障或健康报警，并执行相应的处理程序；如果是其它类，有问题但不会直接导致系统毁坏，则继续移动，但进行故障描述，并评估与分类，最后得出相应状态结果，输入至数据库中。

健康评估模块这部分的数据，是历史数据得到的数学模型所无法给出的，也是对已有模型分析和更新的重要的诠释。如：正常电池工作和寿命是符合一定的模型规律的；但是如果环境温度太低，电池的工作会出现异常，不会符合原有模型的规律；如果电池充电过程中有问题，电池的电力也是不正常的，也不会符合其原有模型的规律等；如果无人机经常需要在较险峻的环境中工作，容易发生摩擦、碰撞等情形，可以根据各种指标(如桨叶/机身等损坏程度)来判断哪种类型、哪个厂家的材料更耐用。

数据库是一个临时数据库，它不做模型分析，只是将采集到的数据及健康评估的结果进行整理、转换和规范，方便将相关数据传输到地面系统中。利用数据库，可以将不同类型的无人机的相关数据进行统一，有利于地面系统快速、高效、准确地进行数据的传输、计算和分析。

数据库可以采用开源数据库，如MySQL数据库，其执行性能高、运行速度快，容易使用。

数据库将整理好的数据传输到地面系统的服务器上，供地面系统进行处理、计算、分析，更新原对象模型参数后，再传输回中间件系统。中间件系统与无人机/无人机群进行对接，将更新的参数传输给该无人机群。由于该中间件系统既采集不同类型的无人机上的运行数据，也进行物理状态数据的采集与评估，能够进行完整数据的采集、融合和整理，再传输给地面系统，能够得到更全面、完整的对象模型，为无人机和无人机群的故障预测与健康管理提供更坚实的保障。

系统管理模块用于对各个功能模块进行定制管理。

采用该轻量型中间件系统，可快速、直接完成无人机/无人机群的数据采集，不需要所有的无人机都停到地面系统旁边来进行数据传输，提高了采集速率。同样，也有利于将地面系统更新的参数和模型回传到无人机群上。

该中间件系统为轻量型中间件系统，有助于完成图1中的数据采集和特征提取中的部分功能，及相应数据转换及传输功能。其结构简单，接口可以根据实际需求进一步完善，具有扩展性和灵活性。

该中间件系统为开放式的系统体系结构，具有“即插即用”的功能，即一方面可不断更新或加入新的模块，另一方面具有与其他系统进行信息交换和集成的能力。

在另一实施例中，提供一种无人机的PHM系统，其系统结构如图5所示，包括机载系统、地面系统，还包括如上所述中间件系统。机载系统包含一个具有简单故障判定和预测的模型库，只考虑少量因素的信息系统；地面系统包含一个具有复杂故障判定和预测的模型库，考虑多种因素(如飞机相关信息库和维修记录库)的信息系统。

在另一实施例中，提供一种基于中间件系统的无人机PHM方法，包括如下步骤：A1.通过接口模块，无人机与中间件系统进行对接；A2.通过据采集模块，从无人机上读取相关运行数据；通过健康评估模块，对无人机的物理状态进行健康评估；A3.通过数据库，将采集到的运行数据和健康评估结果进行存储、整理、转换和规范，再传输到地面系统；A4.地面系统对数据和结果进行计算、分析，更新原对象模型参数后，传输回中间件系统；A5.中间件系统将更新后的参数传输给无人机。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于PHM的无人机中间件系统，其特征在于，该中间件系统包括：接口模块、数据采集模块、健康评估模块、系统管理模块和数据库，所述接口模块、数据采集模块、健康评估模块、数据库和系统管理模块相连；

所述中间件系统可与无人机的PHM系统中的机载系统连接，以及可与所述无人机的PHM系统中的地面系统连接；

所述接口模块用于和无人机进行对接；

所述数据采集模块与所述接口模块相连，用于采集无人机的运行数据，并将运行数据输入到数据库；

所述健康评估模块用于描述及评估所述无人机飞行中发生的问题及修复过程中遇到的问题，从而对所述无人机进行健康评估并将所述健康评估的结果输入所述数据库；

所述系统管理模块用于所述中间件系统中各个模块的管理；

所述数据库用于将所述采集到的不同类型的无人机的运行数据和所述健康评估结果进行存储、整理、转换和规范为统一的格式，以备传输到地面系统，或/和用于接受地面系统的更新参数；

所述数据库为开源数据库；所述中间件系统是采用开源数据库工具构建的中间件。

2.如权利要求1所述中间件系统，其特征在于，所述数据采集模块包括适配器。

3.如权利要求1所述中间件系统，其特征在于，所述中间件系统可采用计算机为载体来构建，在计算机上使用开源数据库工具构建所述中间件系统，完成无人机群机上数据采集、运行状态及物理状态健康评估，将数据转换为统一格式、再去向所述地面系统传输数据、并将获得更新后的参数拿回来再传输给所述机载系统；所述中间件系统为轻量型中间件。

4.如权利要求1所述中间件系统，其特征在于，所述健康评估模块包括：状态描述单元、健康评估单元、评估准则单元和评估结果单元。

5.如权利要求4所述中间件系统，其特征在于，所述状态描述单元和健康评估单元由飞手和/或维护人员维护。

6.如权利要求4所述中间件系统，其特征在于，所述健康评估单元包括评估器和分类器。

7.如权利要求4所述中间件系统，其特征在于，所述健康评估模块的评估对象包括无人机的桨叶、电机、电池、炸机、发动机、发动机传动机构。

8.如权利要求1所述中间件系统，其特征在于，所述数据库包括MySQL数据库。

9.如权利要求1所述中间件系统，其特征在于，所述接口模块包括USB接口、无线接口、传感器接口、总线接口中的一种或几种。

10.如权利要求1-9任一所述的中间件系统，其特征在于，通过所述接口模块和不同类型的无人机群进行对接，再通过适配器读取不同类型的无人机群数据，同时健康评估模块用于对不同类型的无人机群进行物理状态的健康评估；数据库用于将所述采集到的不同类型的无人机群的运行数据和健康评估结果进行整理、转换和规范，再将数据和结果传输到地面系统，或/和用于接受地面系统的更新参数。

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