CN108341072B - 无人机动力系统故障检测的方法、装置及无人机 - Google Patents

无人机动力系统故障检测的方法、装置及无人机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无人机动力系统故障检测的方法，包括：S1、在无人机飞行期间，获取扰动数据；S2、判断扰动数据是否大于预设值，是则进入S3；S3、根据扰动数据调整控制信号并输出抗扰动控制信号。本发明的有益效果在于：提供一种检测方法，将动力缺失异常的情况当作外部扰动处理，得到扰动的大小和方向，从而定位故障电机，让飞控系统及时改变控制分配矩阵，让余下的动力系统能够保持无人机机体稳定飞行，大大降低了多旋翼无人机因动力故障造成的坠机概率。

Description

无人机动力系统故障检测的方法、装置及无人机
技术领域
本发明涉及无人机飞行控制领域，尤其是指一种无人机动力系统故障检测的方法、装置及无人机。
背景技术
由于多旋翼飞行器的良好飞行性能和悬停特性，近些年来应用于越来越多的行业中，同时无人机的安全问题也愈发受到人们的重视，尤其是在运输行业应用领域，无人机自身的自重和负载都比较大，动力系统一旦出现异常，抛开财产损失不说，无人机坠落所造成的安全问题也很严峻，所以为了无人机飞行的安全性能，对多旋翼无人机动力系统的故障检测尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种快速定位无人机动力系统中故障动力源，从而可以快速调整控制策略，保证无人机的平稳飞行并安全降落的装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种无人机动力系统故障检测的方法，包括：
S1、在无人机飞行期间，获取扰动数据；
S2、判断扰动数据是否大于预设值，是则进入S3；
S3、根据扰动数据调整控制信号并输出抗扰动控制信号。
进一步的，步骤S1中，所述扰动数据包括扰动向量
Figure DEST_PATH_IMAGE001
和扰动方向
Figure 264255DEST_PATH_IMAGE002
。
进一步的，步骤S2中，当
Figure 47928DEST_PATH_IMAGE002
的值小于预设角度阈值，且扰动向量
Figure 797710DEST_PATH_IMAGE001
的模大于阈值， 则判定i电机出现故障。
进一步的，所述扰动方向
Figure 158153DEST_PATH_IMAGE002
表示第i个电机轴在XY平面的单位向量与扰动向量的 夹角。
进一步的，所述扰动向量
Figure 903255DEST_PATH_IMAGE001
的模为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 995844DEST_PATH_IMAGE004
。
进一步的，步骤S3中，包括根据故障电机信息对剩余电机进行矩阵重新分配的步骤。
进一步的，步骤S3之后，还包括向地面站发送异常信息的步骤。
本发明还包括一种无人机动力系统故障检测装置，包括扰动观测模块、判断模块和混合模块，所述扰动观测模块分别与所述判断模块和混合模块连接，
所述扰动观测模块用于在无人机飞行期间，获取扰动数据；
所述判断模块用于判断扰动数据是否大于预设值；
所述混合模块用于根据扰动数据调整控制信号并输出抗扰动控制信号。
进一步的，所述扰动观测模块包括扰动方向检测单元和扰动数值检测单元，
所述扰动方向检测单元用于检测扰动方向
Figure 482189DEST_PATH_IMAGE002
；
所述扰动数值检测单元用于检测扰动向量
Figure 131477DEST_PATH_IMAGE001
。
本发明还包括一种无人机控制系统，所述遥控模块与飞控模块连接，所述飞控模块与所述故障检测装置的混合模块的一个输入端连接，所述故障检测装置与所述无人机连接，所述飞控模块包括加法单元，所述无人机包括平衡检测模块，所述平衡检测模块分别与加法单元和所述故障检测装置的扰动观测模块连接，所述扰动观测模块与所述混合模块的另一个输入端连接，
所述遥控模块用于对无人机发送飞行控制信号；
所述平衡检测模块用于输出无人机姿态信号；
所述加法单元用于将所述遥控模块发送的飞行控制信号和所述平衡检测模块输出的无人机姿态信号进行加法求和运算。
本发明的有益效果在于：提供一种检测方法，将动力缺失异常的情况当作外部扰动处理，得到扰动的大小和方向，从而定位故障电机，让飞控系统及时改变控制分配矩阵，让余下的动力系统能够保持无人机机体稳定飞行，大大降低了多旋翼无人机因动力故障造成的坠机概率。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构：
图1为本发明的检测方法流程示意图；
图2为本发明的一个实施例的结构模型示意图；
图3为本发明的一个实施例的装置系统框图。
1-遥控装置；2-飞控模块；3-混合模块；4-无人机；5-扰动观测模块；6-加法模块；7-平衡检测模块。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
实施例1
请参阅图1以及图2，一种无人机动力系统故障检测的方法，包括：
S1、在无人机飞行期间，获取扰动数据，所述扰动数据包括扰动向量
Figure 977423DEST_PATH_IMAGE001
和扰动方向
Figure 116280DEST_PATH_IMAGE002
；
所述扰动方向
Figure 371812DEST_PATH_IMAGE002
表示第i个电机轴在XY平面的单位向量与扰动向量的夹角。
S2、判断扰动数据是否大于预设值，当
Figure 277320DEST_PATH_IMAGE002
的值小于预设角度阈值，且扰动向量
Figure 590490DEST_PATH_IMAGE001
的模大于阈值，则判定i电机出现故障；
S3、根据扰动数据调整控制信号并输出抗扰动控制信号；所述扰动向量
Figure 900249DEST_PATH_IMAGE001
的模为
Figure 892344DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 742489DEST_PATH_IMAGE004
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示动力系统的动力矩阵，
Figure 381936DEST_PATH_IMAGE006
表示动力系统的动力矩阵的向 量。
本实施例中，以六旋翼无人机为例说明故障检测原理和实现过程，六旋翼无人机的动力分别分布在六个机臂上，由六个电机和螺旋桨共同提供升力，滚转，偏航和俯仰力矩，当各个臂的动力系统均正常时，由于结构的对称性，系统的动力模型如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
上式中表示的是每个电机的转速，表示螺旋桨的升力系数，表示螺旋桨的反扭力 系数，表示系统所产生的总升力，表示横滚力矩，表示俯仰力矩，表示偏航力矩，
Figure 987230DEST_PATH_IMAGE005
表示动 力系统的动力矩阵，
Figure 466621DEST_PATH_IMAGE006
表示动力系统的动力矩阵的向量。
当某个动力出现缺失异常时，会反应到对应控制通道的控制量上，通过在控制环 路中加入扰动观测器，将缺失的动力部分作为外部扰动来估计，我们可以得到扰动向量
Figure 261402DEST_PATH_IMAGE001
的大小和方向，
Figure 142639DEST_PATH_IMAGE002
表示第i个电机轴在XY平面的单位向量与扰动向量
Figure 731884DEST_PATH_IMAGE001
的夹角，当夹角
Figure 961221DEST_PATH_IMAGE002
小于一定阈值，并且和扰动向量
Figure 356430DEST_PATH_IMAGE001
的模超过一定阈值，此时认为此电机发生故障。
数学表达如下：
Figure 701961DEST_PATH_IMAGE004
标量
Figure 790003DEST_PATH_IMAGE003
表示编号为i的电机的故障大小，当
Figure 712828DEST_PATH_IMAGE003
大于设定的故障阈值时，可以判定 此电机有故障。
在理想的，无外部环境扰动的情况下，当一个轴的动力缺失时，这部分缺失的动力 经过扰动估计会估计到与缺失动力轴的方向重合，大小与此时的油门大小有关，即
Figure 911728DEST_PATH_IMAGE002
为0， 扰动向量模值一般取悬停时的油门大小为0.4，考虑到环境的扰动影响和数据噪声，
Figure 315028DEST_PATH_IMAGE002
一般 不可能为0，需要根据实际飞行测试数据确定。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：提供一种检测方法，将动力缺失异常的情况当作外部扰动处理，得到扰动的大小和方向，从而定位故障电机，让飞控系统及时改变控制分配矩阵，让余下的动力系统能够保持无人机机体稳定飞行，大大降低了多旋翼无人机因动力故障造成的坠机概率。
实施例2
在实施例1的基础上，步骤S3中，包括根据故障电机信息对剩余电机进行矩阵重新分配的步骤。
本实施例中，当编号为1的电机出现故障时，故障动力模型如下：
Figure 433025DEST_PATH_IMAGE008
系统中的飞控模块根据故障动力模型改变控制分配矩阵，让余下的动力系统能够正常的执行设定的控制指令，改善个别电机出现故障后，飞控模块对飞机的控制效果。
实施例3
在实施例2的基础上，步骤S3之后，还包括向地面站发送异常信息的步骤。
本实施例中，当检测到无人机动力系统故障后，及时向地面站发送无人机异常信息，有利于地面人员第一时间定位并追踪到故障无人机。
请参阅图3，本发明还包括一种无人机动力系统故障检测装置，包括扰动观测模块5、判断模块和混合模块3，所述扰动观测模块5分别与所述判断模块和混合模块3连接，
所述扰动观测模块5用于在无人机4飞行期间，获取扰动数据；
所述判断模块用于判断扰动数据是否大于预设值；
所述混合模块3用于根据扰动数据调整控制信号并输出抗扰动控制信号。
所述扰动观测模块5包括扰动方向检测单元和扰动数值检测单元，
所述扰动方向检测单元用于检测扰动方向
Figure 187355DEST_PATH_IMAGE002
；
所述扰动数值检测单元用于检测扰动向量
Figure 707722DEST_PATH_IMAGE001
。
本实施例中，通过在控制环路中加入扰动观测器，将缺失的动力部分作为外部扰 动来估计，我们可以得到扰动向量
Figure 231108DEST_PATH_IMAGE001
的大小和方向，
Figure 785586DEST_PATH_IMAGE002
表示第i个电机轴在XY平面的单位 向量与扰动向量
Figure 496053DEST_PATH_IMAGE001
的夹角，当夹角
Figure 426969DEST_PATH_IMAGE002
小于一定阈值，并且和扰动向量
Figure 8123DEST_PATH_IMAGE001
的模超过一定阈 值，此时认为此电机发生故障。
本发明还包括一种无人机控制系统，包括上述的故障检测装置、遥控模块1和无人机4，所述遥控模块1与飞控模块2连接，所述飞控模块2与所述故障检测装置的混合模块3的一个输入端连接，所述故障检测装置与所述无人机4连接，所述飞控模块2包括加法单元6，所述无人机4包括平衡检测模块7，所述平衡检测模块7分别与加法单元6和所述故障检测装置的扰动观测模块连接，所述扰动观测模块与所述混合模块3的另一个输入端连接，
所述遥控模块用于对无人机发送飞行控制信号；
所述平衡检测模块用于输出无人机姿态信号；
所述加法单元用于将所述遥控模块发送的飞行控制信号和所述平衡检测模块输出的无人机姿态信号进行加法求和运算。
本实施例中，无人机包括六个机臂，每个机臂对应设有电子调速器、电机和螺旋桨，加法模块6将无人机的平衡检测模块7反馈的飞机姿态信号及遥控模块1发送的遥控指令或飞行程序进行加法求和并输出至飞控模块2，飞控模块2分别对六个电子调速器发送控制信号，电子调速器控制电机的转速，使飞机做出悬停、前进、后退、平移、旋转等动作，当动力系统的某个部件出现异常时，对应机臂的动力就缺失，飞机的姿态即出现异常，无人机的平衡检测模块7将异常信号反应到飞控模块2对应控制通道的控制量上，此时用故障检测装置将缺失的动力部分作为外部扰动来估计，即可获得扰动数据，经过进一步分析即可定位出故障的机臂，进而飞控模块2改变控制分配矩阵，让余下的动力系统能够正常的达到设定的控制指令，改善单个电机出现故障后的控制效果。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种无人机动力系统故障检测的方法，包括：
S1、在无人机飞行期间，获取扰动数据，所述扰动数据包括扰动向量
Figure 470953DEST_PATH_IMAGE001
和扰动方向
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
S2、判断扰动数据是否大于预设值，是则进入S3，当
Figure 331461DEST_PATH_IMAGE002
的值小于预设角度阈值，且扰动 向量
Figure 389416DEST_PATH_IMAGE003
的模大于阈值，则判定i电机出现故障；
S3、根据扰动数据调整控制信号并输出抗扰动控制信号，根据故障电机信息对剩余电机进行矩阵重新分配。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述扰动方向
Figure 58295DEST_PATH_IMAGE002
表示第i个电机轴在XY平面 的单位向量与扰动向量的夹角。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述扰动向量
Figure 176293DEST_PATH_IMAGE003
的模为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 651661DEST_PATH_IMAGE005
，其 中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示动力系统的动力矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示动力系统的动力矩阵的向量。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤S3之后，还包括向地面站发送异常信息的步骤。
5.一种无人机动力系统故障检测装置，其特征在于：包括扰动观测模块、判断模块和混合模块，所述扰动观测模块分别与所述判断模块和混合模块连接，
所述扰动观测模块用于在无人机飞行期间，获取扰动数据；
所述判断模块用于判断扰动数据是否大于预设值；
所述混合模块用于根据扰动数据调整控制信号并输出抗扰动控制信号；
所述扰动观测模块包括扰动方向检测单元和扰动数值检测单元，
所述扰动方向检测单元用于检测扰动方向
Figure 575623DEST_PATH_IMAGE002
；
所述扰动数值检测单元用于检测扰动向量
Figure 99009DEST_PATH_IMAGE003
。
6.一种无人机控制系统，其特征在于：包括如权利要求5所述的故障检测装置、遥控模块和无人机，所述遥控模块与飞控模块连接，所述飞控模块与所述故障检测装置的混合模块的一个输入端连接，所述故障检测装置与所述无人机连接，所述飞控模块包括加法单元，所述无人机包括平衡检测模块，所述平衡检测模块分别与加法单元和所述故障检测装置的扰动观测模块连接，所述扰动观测模块与所述混合模块的另一个输入端连接，
所述遥控模块用于对无人机发送飞行控制信号；
所述平衡检测模块用于输出无人机姿态信号；
所述加法单元用于将所述遥控模块发送的飞行控制信号和所述平衡检测模块输出的无人机姿态信号进行加法求和运算。
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