CN109976141A - Uav传感器信号余度表决系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种UAV传感器信号余度表决系统，旨在提供一种更加灵活，安全性好、可靠性高的余度表决系统。本发明通过下述技术方案予以实现：UAV飞行数据由传感器数据采集系统采集后送往中央控制器，管理软件中的余度管理模块在对信号进行多余度配置的同时，表决器通过信号表决算法选择传感器信号输入，飞行管理控制程序根据传感器数据大小对信号阈值做动态调整，四余度同步判断传感器是否有故障，表决器检测到故障并隔离相应传感器信号并进行信号表决；如果硬件电路正常，则根据各传感器的数据判断故障；选出数据值处于中间的传感器数据作为最终输出；表决器根据传感器信号值和故障锁存信息对剩余有效信号取均值输出表决信号。

Description

UAV传感器信号余度表决系统

技术领域

本发明涉及无人飞行器传感器信号阈值动态处理表决系统，尤其是应用于无人飞行器某信号采集和表决系统上传感器信号四余度表决系统。

背景技术

随着无人机飞行功能的日益增多，任务要求越来越复杂，使飞行控制系统变的越来越复杂，从而出现故障频率将越来越高。因此除要求其必须具备良好的故障检测手段和完善的自动切换机制外，还必须具有及时的启动备份余度的能力。作为无人机大脑的飞控系统需要承担对完成飞行任务期间的可靠控制问题。飞行控制系统中，自主控制机械设备的自主控制是在没有人的干预下，把自主控制系统的感知能力、决策能力、协同能力和行动能力有机的结合起来，在非结构化环境下根据一定的控制策略自我决策并持续执行一系列控制功能完成预定目标的能力。在硬件平台搭建好的基础上，飞控系统软件就有相应的要求。并且为了实现软件的通用性，要求三台计算机配置相同的软件。软件除了要实现控制律的运算外，还要实现余度管理的要求。也就是说，除了对数据采集，控制律解算，数据输出的功能外，还要求能够实现三机同步，数据交叉传输，错误检测诊断，故障处理等功能。当传感器输出信号超出公差范围的次数大于定义值(持续故障时间)，表决器需检测到故障并隔离相应传感器信号。表决门限过低会导致传感器输出在误差带边缘时被断开，门限过高则可能导致故障锁存时，传感器已出现不可接受的瞬变。在自主控制的机械设备(例如全自主机器人)中，为了提高传感器信号的可靠性，针对传感器不能自己检测到的故障，需要设计外部监控器对多余度传感器进行表决(余度管理)，以隔离错误传感器信号，避免对飞机产生不良影响。信号表决的目的是为了提高信号的可用性或完整性，或二者兼有，为设备的自主控制提供最准确的信息数据，从而提高设备运行可靠性。通常都为某一信号配置多个传感器，然后在内部对此信号的多个传感器数据进行表决，筛选出最为准确可靠的一组数据，送往中央控制器进行下一步处理。源信号的数量及表决逻辑，取决于无人机系统对信号的要求，设计过程中常见的传感器余度设计主要有二余度、三余度、四余度、混杂余度这几类。为了避免信号跳变导致表决器频繁误触发，提高系统鲁棒性，需要允许传感器信号的“错误”持续一段时间，工程上一般采用计数器的方法，一旦错误计数达到定义值，则锁存传感器故障，隔离错误信号。但大多数的自主控制设备中，一般只对某信号做三余度配置(例如某型无人飞行器中对飞机姿态角信号配置了惯导一台，垂直陀螺两台)，甚至只有两余度配置。这种配置的不足之处是一旦其中一个传感器出现故障后，剩余的信号将无法进行表决，此时只能人工强制选定某一传感器。因此安全性差，可靠性不高。另外，在大多数三余度管理的信号表决中，一般是先固定一个信号阈值和选定某个传感器作为标准，当其它传感器与标准传感器信号之差大于此信号阈值时，即判定传感器故障。此技术的不足之处在于，其一，固定的信号阈值大大降低了系统的鲁棒性；其二，一旦标准传感器出现故障，整个表决系统将无法正常工作。其三，三余度飞控执行飞行任务中会面临一个潜在问题，即不同计算机间独立积分运算产生的时钟漂移。由于三余度飞控系统控制量由三个独立的CPU计算得到，每个独立的飞控计算机模块内部使用独立的时钟，随着运行时间的增加，相互独立的模块输出的指令必然会由于积分器作用产生不可接受的漂移。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种更加灵活，安全性好、可靠性高的无人飞行器UAV传感器信号余度表决系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种UAV传感器信号余度表决系统，包括：集成在飞行控制系统中的A型传感器和三台B型传感器及其与嵌入在中央控制器相应管理软件中的信号表决算法，无人飞行器UAV飞行数据由传感器数据采集系统采集后送往中央控制器，管理软件中的余度管理模块在对信号进行多余度配置的同时，表决器通过信号表决算法选择传感器信号输入，飞行管理控制程序根据传感器数据大小对信号阈值做动态调整，四余度同步判断传感器是否有故障，表决器检测到故障并隔离相应传感器信号并进行信号表决；当传感器数据采集系统硬件电路出现故障时，所有传感器信号将判为永久故障，如果硬件电路正常，则根据各传感器的数据判断故障；在三台B型传感器均正常的情况下，信号表决算法将对三组数据进行排序，选出数据值处于中间的传感器数据作为最终输出；两台B型传感器正常时，将两组数据的平均值作为最终输出；表决器根据传感器信号值和故障锁存信息对剩余有效信号取均值输出表决信号。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：本发明基于现有技术将信号的余度配置提高至四余度配置，根据传感器信号大小对信号阈值做动态调整，再判断传感器是否故障，并进行信号表决，与机载姿态传感器、状态传感器、导航设备、伺服设备、数据链设备、机载供电设备、发动机监控设备、任务载荷和环控设备等进行通信，实现系统的运转，用管理软件中的信号表决算法来实现不同导航传感器组和不同传感器余度之间的故障隔离，即一个控制单元设备故障后不会影响到其它的工作。系统中任何一个控制单元设备发生故障，都不会导致故障蔓延，其余三个单元可进行无缝切换接管，继续提供双冗余布置。在极端条件应用中，如果剩余的双冗余系统中的一个出现运行故障，则同样由另一个无缝切换接管。该四余度飞控系统内部的传感器状态、CPU状态实时进行监控，能够在飞行过程中出现突发情况后进行相应的故障处置，进一步确保飞行安全。

安全性好、可靠性高。本发明飞行管理控制程序根据传感器数据大小对信号阈值做动态调整，采用四余度同步判断传感器是否有故障，使得控制量解算的积分部分步长相同，确保四个余度的指令不会因为积分漂移被误表决而影响飞行安全。在三台B型传感器均正常的情况下，集成在飞行控制与管理软件中的信号表决算法更加灵活地对三组数据进行排序，通过表决算法选择传感器信号输入，选出数据值处于中间的传感器数据作为最终输出；两台B型传感器正常时，将两组数据的平均值作为最终输出，同时运行监控算法对所有余度传感器、实现故障检测并隔离。每个余度控制指令最终发送到四个余度表决器，由表决器进行表决后输出，降低数据误差对整个系统的影响，平均无故障运行时间可达到数万小时，安全性好、可靠性高。飞控程序经过软件测试，半物理飞行仿真与严格的大数据飞行仿真验证，运行稳定性，故障多样性处理和运行时长，结合冗余布置的设计结构可以确保更高的飞行可靠性，使得该平台具有极高的可靠性和远低于行业标准的故障率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本技术进一步说明。

图1是本发明无人飞行器UAV传感器信号余度表决系统四余度管理结构示意图；

图2是飞行管理控制程序软件根据传感器数据大小动态调整信号阈值示意图；

图3是飞行管理控制程序软件信号余度管理的流程示意图；

图4是三组B型传感器信号均正常情况下的数据处理流程图；

图5是两组B型传感器信号正常情况下的数据处理流程图。

具体实施方式

参阅图1。在以下优选的实施例中，UAV传感器信号余度表决系统包括：集成在飞行控制系统中的A型传感器和三台B型传感器及其与嵌入在中央控制器相应管理软件中的信号表决算法，无人飞行器UAV飞行数据由传感器数据采集系统采集后送往中央控制器(图中未示出)，管理软件中的余度管理模块在对信号进行多余度配置的同时，表决器通过信号表决算法选择传感器信号输入，飞行管理控制程序根据传感器数据大小对信号阈值做动态调整，四余度同步判断传感器是否有故障，表决器检测到故障并隔离相应传感器信号并进行信号表决；当传感器数据采集系统硬件电路出现故障时，所有传感器信号将判为永久故障，如果硬件电路正常，则根据各传感器的数据判断故障；在三台B型传感器均正常的情况下，信号表决算法将对三组数据进行排序，选出数据值处于中间的传感器数据作为最终输出；两台B型传感器正常时，将两组数据的平均值作为最终输出；表决器根据传感器信号值和故障锁存信息对剩余有效信号取均值输出表决信号。

参阅图2。在以下可选的实施例中，为整套信号表决系统结构为四余度配置，即一台A型传感器和三台B型传感器。飞机数据由传感器数据采集系统采集后，送往中央控制器，由飞行管理控制程序软件中的余度管理模块进行信号表决故障判断的信号阈值是根据传感器数据大小动态调整的。其调整公式如下：当传感器数据T＞T2时，信号阈值W为W2；当传感器数据T＜T1时，信号阈值W为W1，W＝W1；当传感器数据T在T1与T2之间时，即T1＜T＜T2，信号阈值W是线性变化的，当T＜T1时，信号阈值W为W2，W＝W2。

为保证信号阈值判断的准确性，如果当前传感器数据与上一周期的差距过大时，余度管理模块在当前飞行管理控制程序工作周期中使用的信号阈值是在上一个工作周期中，根据上一周期经过表决筛选出的传感器数据快速地计算判断得出其故障。

参阅图3。余度管理模块在传感器数据故障判断中，故障类型分为瞬态故障和永久故障，当瞬态故障次数积累到一定时，就转为永久故障，处于永久故障的传感器数据是不可用的。永久故障是可恢复的。感器数据采集系统收集各个传感器信号，余度管理模块判断数据采集系统硬件电路是否出现故障，如果硬件电路正常则将信号故障标志为真实的True，如果所有传感器信号判为永久故障，则根据各传感器的数据判断故障，计算信号阈值，表决器根据数据故障状态进行信号数据表决，输出表决信号。具体算法如图4、图5所示。

参阅图4。在三组B型传感器信号均正常情况(均无永久故障)下的数据处理流程中，飞行管理控制程序软件程序首先将三组信号数据按大小max、mid、min排序，然后根据如下信号表决算法判断传感器信号是否出现故障：max与min的差值未超过信号阈值，则三组传感器信号均正常，其瞬态故障计数器清零；max与min、max与mid、mid与min的差值均超过信号阈值，提供max与min信号的传感器瞬态故障计数器加1，如果故障次数超过规定次数，则该组传感器信号故障；提供mid信号的传感器正常，其瞬态故障计数器清零；max与min、max与mid的差值超过信号阈值，mid与min的差值未超过信号阈值，提供max信号的传感器瞬态故障计数器加1，如果故障次数超过规定次数，则该组传感器信号故障；提供min与mid信号的传感器正常，其瞬态故障计数器清零；max与min、mid与min的差值超过信号阈值，max与mid的差值未超过信号阈值，提供min信号的传感器瞬态故障计数器加1，如果故障次数超过规定次数，则该组传感器信号故障；提供max与mid信号的传感器正常，其瞬态故障计数器清零；max与min、max与mid、mid与min的差值均未超过信号阈值，则三组传感器信号均正常，其瞬态故障计数器清零。

参阅图5。在两组B型传感器信号正常情况下的数据处理流程中。在两组B型传感器信号正常情况下的数据处理流程中，A型传感器信号将参与信号余度管理。飞行管理控制程序软件程序首先计算出两组B型传感器数据之差diff，以及两组B型与A型的数据之差diff1与diff2，然后根据如下算法判断传感器信号是否出现故障：在A型传感器数据有效的情况下，如果diff超过信号阈值，且diff1大于diff2，则1号B型传感器瞬态故障计数器加1，如果故障次数超过规定次数，则该组传感器信号为故障；在A型传感器数据有效的情况下，如果diff超过信号阈值，且diff2大于diff1，则2号B型传感器瞬态故障计数器加1，如果故障次数超过规定次数，则该组传感器信号为故障；在A型传感器数据有效的情况下，如果diff未超过信号阈值。则两组B型传感器信号均正常，其瞬态故障计数器清零；在A型传感器数据无效的情况下，如果diff超过信号阈值，则两组B型传感器信号为故障，其瞬态故障计数器加1；在A型传感器数据无效的情况下，如果diff未超过信号阈值，不进行任何操作。B型传感器数据的有效性沿用上一工作周期的判断结果。在两组B型传感器出现永久故障的情况下，默认剩余的B型传感器正常，将其瞬态故障计数器清零。在所有传感器信号有效性判断完成后，飞行管理控制程序软件程序将根据如下规则选择信号数据参与飞行控制：三组传感器信号正常，取排序为mid的信号；两组传感器信号正常，且无瞬态故障：取两信号的平均值；两组传感器信号正常，但其中一组传感器信号或两组信号有瞬态故障：取编号较小的信号；一组传感器信号正常，取该组传感器信号；三组传感器信号均故障,取事先规定的故障安全值。

本领域内的技术人员可以明白，在不偏离本发明的精神和必要特性的情况下，可以以除了在此阐述的特定形式之外的其他特定形式来体现本发明。因此，上面的说明要在所有的方面被解释为说明性而非限制性的。应当通过所附的权利要求的合理解释确定本发明的范围，并且在本发明的等同范围内的所有改变旨在落入本发明的范围内。另外，不显式地从属于彼此的权利要求可以被组合以提供实施例，或者能够通过在提交本申请后的修改来增加新的权利要求。

Claims (10)

1.一种UAV传感器信号余度表决系统，包括：集成在飞行控制系统中的A型传感器和三台B型传感器及其与嵌入在中央控制器相应管理软件中的信号表决算法，其特征在于：无人飞行器UAV飞行数据由传感器数据采集系统采集后送往中央控制器，管理软件中的余度管理模块在对信号进行多余度配置的同时，表决器通过信号表决算法选择传感器信号输入，飞行管理控制程序根据传感器数据大小对信号阈值做动态调整，四余度同步判断传感器是否有故障，表决器检测到故障并隔离相应传感器信号并进行信号表决；当传感器数据采集系统硬件电路出现故障时，所有传感器信号将判为永久故障，如果硬件电路正常，则根据各传感器的数据判断故障；在三台B型传感器均正常的情况下，信号表决算法将对三组数据进行排序，选出数据值处于中间的传感器数据作为最终输出；两台B型传感器正常时，将两组数据的平均值作为最终输出；表决器根据传感器信号值和故障锁存信息对剩余有效信号取均值输出表决信号。

2.如权利要求1所述的UAV传感器信号余度表决系统，其特征在于：当传感器数据T＞T2时，信号阈值W为W2；当传感器数据T＜T1时，信号阈值W为W1，W＝W1；当传感器数据T在T1与T2之间时，即T1＜T＜T2，信号阈值W是线性变化的，且当T＜T1时，信号阈值W为W2，W＝W2。

3.如权利要求1所述的UAV传感器信号余度表决系统，其特征在于：当前传感器数据与上一周期的差距过大时，余度管理模块在当前飞行管理控制程序工作周期中使用的信号阈值是在上一个工作周期中，根据上一周期经过表决筛选出的传感器数据快速地计算判断得出其故障。

4.如权利要求1所述的UAV传感器信号余度表决系统，其特征在于：感器数据采集系统收集各个传感器信号，余度管理模块判断数据采集系统硬件电路是否出现故障，如果硬件电路正常则将信号故障标志为真实的True，如果所有传感器信号判为永久故障，则根据各传感器的数据判断故障，计算信号阈值，表决器根据数据故障状态进行信号数据表决，输出表决信号。

5.如权利要求1所述的UAV传感器信号余度表决系统，其特征在于：在三组B型传感器信号均正常情况下，飞行管理控制程序软件程序首先将三组信号数据按大小max、mid、min排序，然后根据如下信号表决算法判断传感器信号是否出现故障：max与min的差值未超过信号阈值，则三组传感器信号均正常，其瞬态故障计数器清零；max与min、max与mid、mid与min的差值均超过信号阈值，提供max与min信号的传感器瞬态故障计数器加1，如果故障次数超过规定次数，则该组传感器信号为故障；提供mid信号的传感器正常，其瞬态故障计数器清零。

6.如权利要求5所述的UAV传感器信号余度表决系统，其特征在于：max与min、max与mid的差值超过信号阈值，mid与min的差值未超过信号阈值，提供max信号的传感器瞬态故障计数器加1，如果故障次数超过规定次数，则该组传感器信号故障，提供min与mid信号的传感器正常，其瞬态故障计数器清零。

7.如权利要求6所述的UAV传感器信号余度表决系统，其特征在于：max与min、mid与min的差值超过信号阈值，max与mid的差值未超过信号阈值，提供min信号的传感器瞬态故障计数器加1，如果故障次数超过规定次数，则该组传感器信号故障，提供max与mid信号的传感器正常，其瞬态故障计数器清零；max与min、max与mid、mid与min的差值均未超过信号阈值，则三组传感器信号均正常，其瞬态故障计数器清零。

8.如权利要求1所述的UAV传感器信号余度表决系统，其特征在于：在两组B型传感器信号正常情况下，A型传感器信号将参与信号余度管理；飞行管理控制程序软件程序首先计算出两组B型传感器数据之差diff，以及两组B型与A型的数据之差diff1与diff2，然后根据如下算法判断传感器信号是否出现故障：在A型传感器数据有效的情况下，如果diff超过信号阈值，且diff1大于diff2，则1号B型传感器瞬态故障计数器加1，如果故障次数超过规定次数，则该组传感器信号为故障。

9.如权利要求8所述的UAV传感器信号余度表决系统，其特征在于：在A型传感器数据有效的情况下，如果diff超过信号阈值，且diff2大于diff1，则2号B型传感器瞬态故障计数器加1，如果故障次数超过规定次数，则该组传感器信号为故障；如果diff未超过信号阈值，则两组B型传感器信号均正常，其瞬态故障计数器清零；如果diff超过信号阈值，则两组B型传感器信号为故障，其瞬态故障计数器加1；在A型传感器数据无效的情况下，如果diff未超过信号阈值，不进行任何操作；B型传感器数据的有效性沿用上一工作周期的判断结果；在两组B型传感器出现永久故障的情况下，默认剩余的B型传感器正常，将其瞬态故障计数器清零。

10.如权利要求1所述的UAV传感器信号余度表决系统，其特征在于：在所有传感器信号有效性判断完成后，飞行管理控制程序软件程序根据如下规则选择信号数据参与飞行控制：三组传感器信号正常，取排序为mid的信号；两组传感器信号正常，且无瞬态故障：取两信号的平均值；两组传感器信号正常，但其中一组传感器信号或两组信号有瞬态故障，取编号较小的信号；一组传感器信号正常，取该组传感器信号；三组传感器信号均故障,取事先规定的故障安全值。