CN115309069A - 一种支持故障注入的无人机半实物维修培训系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人机维修教学技术领域，具体涉及一种支持故障注入的无人机半实物维修培训系统，其特征在于，包括：仿真系统，用于建立飞机六自由度模型，作为仿真子系统的上位机，达到实时监视与控制功能，并可实时接收模拟维修教具舵机故障反馈；模拟维修平台，包括模拟飞控模块，用于接收仿真系统信号，控制无人机飞行；实物化模拟执行机构，根据模拟飞控模块指示动作相应的舵机和执行机构，并在实验台上进行相应的故障指示，利用交互式手册的编写，展示维修步骤指示等维修信息。飞行显示系统，实时动态显示飞机飞行三维视景，展示维修结果，使得维修具有可视化画面。能够降低无人机飞行操纵和维修人员训练成本，缩短训练周期，提高训练效率。
Description
技术领域
本发明涉及无人机维修教学技术领域，尤其涉及一种支持故障注入的无人机半实物维修培训系统。
背景技术
近些年，无人机在军用、民用领域的应用需求不断增加，无人机飞行仿真系统作为无人机系统研发必不可少的工具和手段，同样得到大力发展，现有的无人机仿真系统主要用于模拟无人机全阶段飞行仿真、飞控算法验证等飞行控制方面。据统计，近年来的无人机飞行事故调查结果中，飞控系统故障、动力系统以及人为操作失误占无人机事故的85％，其中飞控系统故障导致事故率最高。在飞控系统发生的各种故障中，传感器故障约占比70％。
专利申请号为CN202111634379.8的中国发明专利提供了一种考虑任务体系下的无人机集群维修方法，其主要是建立多层复杂网络模型对任务可靠性进行评估，根据可靠性评估结果，制定集群维修方案。
但是，本申请人发现，现有技术至少存在以下问题：
现有技术的无人机仿真系统仅作为无人机产品研发的子系统，没有针对故障诊断仿真培训系统，从而使得无人机维修培训的教学不便，培训成本高，教学效果达不到预期。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种支持故障注入的无人机半实物维修培训系统，以解决现有技术的无人机仿真系统仅作为无人机产品研发的子系统，没有针对故障诊断仿真培训系统，从而使得无人机维修培训的教学不便，教学效果达不到预期的问题。
基于上述目的，本发明提供了1.一种支持故障注入的无人机半实物维修培训系统，包括：
仿真系统，用于建立飞机六自由度模型，作为仿真子系统的上位机，达到实时监视与控制功能，并可实时接收模拟维修教具舵机故障反馈；
模拟维修平台，包括模拟飞控模块，用于接收仿真系统信号，控制无人机飞行；
实物化模拟执行机构，根据模拟飞控模块指示动作相应的舵机和执行机构，并在实验台上进行相应的故障指示，利用交互式手册的编写，展示维修步骤指示等维修信息。
飞行显示系统，实时动态显示飞机飞行三维视景，展示维修结果，使得维修具有可视化画面。
可选的，所述仿真系统包括用于模拟故障建模，注入一套无人机故障库，包含所有传感器状态参数偏差、设备故障、气动参数偏移、风扰动等故障模型。
可选的，所述模拟维修平台用于接收模拟飞控系统传递的故障信号，模拟飞控系统实时解算飞行控制律，计算出舵面指令，模拟各子系统总线接口协议，周期发送，形成闭环仿真，飞控系统操纵实物化模拟执行机构动作，并在实验台上显示故障提示。
可选的，所述交互式手册包括各种故障所对应的维修工具和维修方案。
可选的，所述仿真系统接收模拟维修教具舵机故障反馈的故障内容包括：
气动系数偏移，通过叠加量或比例量改变模型中正常的气动系数实现，对解算的气动力与力矩有偏差；
传感器参数偏差，通过在模拟传感器总线协议发送的数据帧中，增加该项的叠加量实现，飞机接收到有误差的传感器数据，控制律结算时，有误差；
传感器故障，通过飞行仿真程序停止发送模拟传感器的数据帧，造成通讯故障实现，飞控接收不到该传感器数据，若有备用传感器则切换；否则，控制律解算错误，造成事故；
风扰动，通过在飞行仿真程序中添加风量与风向因素实现，影响空速，攻角、侧滑角；
机体重量偏差，通过在飞行仿真程序中改变重量值实现，对重力造成偏差；
机体重心位置偏差，通过在飞行仿真程序中改变重心位置实现，产生滚转力矩等；
动力系统故障，通过在动力模块中，将输出置0实现，对推力产生影响
可选的，所述仿真系统包括飞行控制系统、三维视景系统以及伺服动作系统，各系统直接的接口关系为：
飞行控制系统，接口类型为以太网UDP方式，周期发送方式，发送方向为双向；
三维视景系统，接口类型为以太网UDP方式，周期发送方式，发送方式为发送；
伺服作动系统，接口类型为DI/AI量采集，发送方式为触发，发送方式为采集。
本发明的有益效果：通过本系统进行飞机飞行过程中的故障演示，飞控系统操纵实物化模拟执行机构动作，并在实验台上显示故障提示，提示维修人员进行维修，维修人员在接收到提示后，根据故障现象，确认故障类型，交互式手册根据故障现象展示维修步骤指示等维修信息，维修人员根据维修步骤指示等维修信息进行飞机的故障维修，维修完毕后，飞行显示系统展示维修结果，从而能够降低无人机飞行操纵和维修人员训练成本，缩短训练周期，提高训练效率，在快速提高无人机操控和维修人员专业技能，加快专业人才培养等方面具有重要的意义，进而助力无人机产业持续、良好的发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种支持故障注入的无人机半实物维修培训系统的示意图；
图2为本发明实施例一种支持故障注入的无人机半实物维修培训系统的连接示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如图1、图2所示，本发明一种或多种具体实施例提供支持故障注入的无人机半实物维修培训系统，包括：
仿真系统，用于建立飞机六自由度模型，作为仿真子系统的上位机，达到实时监视与控制功能，并可实时接收模拟维修教具舵机故障反馈；
模拟维修平台，包括模拟飞控模块，用于接收仿真系统信号，控制无人机飞行；
实物化模拟执行机构，根据模拟飞控模块指示动作相应的舵机和执行机构，并在实验台上进行相应的故障指示，利用交互式手册的编写，展示维修步骤指示等维修信息。
飞行显示系统，实时动态显示飞机飞行三维视景，展示维修结果，使得维修具有可视化画面。
在进行使用时，通过本系统进行飞机飞行过程中的故障演示，飞控系统操纵实物化模拟执行机构动作，并在实验台上显示故障提示，提示维修人员进行维修，维修人员在接收到提示后，根据故障现象，确认故障类型，交互式手册根据故障现象展示维修步骤指示等维修信息，维修人员根据维修步骤指示等维修信息进行飞机的故障维修，维修完毕后，飞行显示系统展示维修结果，从而能够降低无人机飞行操纵和维修人员训练成本，缩短训练周期，提高训练效率，在快速提高无人机操控和维修人员专业技能，加快专业人才培养等方面具有重要的意义，进而助力无人机产业持续、良好的发展。
在一些可选的具体实施例中，所述仿真系统包括用于模拟故障建模，注入一套无人机故障库，包含所有传感器状态参数偏差、设备故障、气动参数偏移、风扰动等故障模型。
在一些可选的具体实施例中，所述模拟维修平台用于接收模拟飞控系统传递的故障信号，模拟飞控系统实时解算飞行控制律，计算出舵面指令，模拟各子系统总线接口协议，周期发送，形成闭环仿真，飞控系统操纵实物化模拟执行机构动作，并在实验台上显示故障提示。
在一些可选的具体实施例中，所述交互式手册包括各种故障所对应的维修工具和维修方案；
在一些可选的具体实施例中，所述仿真系统接收模拟维修教具舵机故障反馈的故障内容包括：
气动系数偏移，通过叠加量或比例量改变模型中正常的气动系数实现，对解算的气动力与力矩有偏差；
传感器参数偏差，通过在模拟传感器总线协议发送的数据帧中，增加该项的叠加量实现，飞机接收到有误差的传感器数据，控制律结算时，有误差；
传感器故障，通过飞行仿真程序停止发送模拟传感器的数据帧，造成通讯故障实现，飞控接收不到该传感器数据，若有备用传感器则切换；否则，控制律解算错误，造成事故；
风扰动，通过在飞行仿真程序中添加风量与风向因素实现，影响空速，攻角、侧滑角；
机体重量偏差，通过在飞行仿真程序中改变重量值实现，对重力造成偏差；
机体重心位置偏差，通过在飞行仿真程序中改变重心位置实现，产生滚转力矩等；
动力系统故障，通过在动力模块中，将输出置0实现，对推力产生影响。
向仿真系统灌注注入故障内容包括：
在飞行仿真系统中输出某一故障如：传感器故障，在维修执行平台报故障，维修人员根据模拟执行机构表现的故障现象进行故障类型确认、工作手册调用，根据工作手册获得维修工具、维修耗材，维修步骤等信息，在实物上进行维修，维修完毕后反馈信号给仿真系统，在飞行显示系统中展示维修结果。同时，在维修实验平台上显示维修时间，成绩等信息。
在一些可选的具体实施例中，所述仿真系统包括飞行控制系统、三维视景系统以及伺服动作系统，各系统直接的接口关系为：
飞行控制系统，接口类型为以太网UDP方式，周期发送方式，发送方向为双向；
三维视景系统，接口类型为以太网UDP方式，周期发送方式，发送方式为发送；
伺服作动系统，接口类型为DI/AI量采集，发送方式为触发，发送方式为采集。
具体的接口关系为：
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种支持故障注入的无人机半实物维修培训系统，其特征在于，包括：
仿真系统，用于建立飞机六自由度模型，作为仿真子系统的上位机，达到实时监视与控制功能，并可实时接收模拟维修教具舵机故障反馈；
模拟维修平台，包括模拟飞控模块，用于接收仿真系统信号，控制无人机飞行；
实物化模拟执行机构，根据模拟飞控模块指示动作相应的舵机和执行机构，并在实验台上进行相应的故障指示，利用交互式手册的编写，展示维修步骤指示等维修信息。
飞行显示系统，实时动态显示飞机飞行三维视景，展示维修结果，使得维修具有可视化画面。
2.根据权利要求1所述的一种支持故障注入的无人机半实物维修培训系统，其特征在于，所述仿真系统包括用于模拟故障建模，注入一套无人机故障库，包含所有传感器状态参数偏差、设备故障、气动参数偏移、风扰动等故障模型。
3.根据权利要求1所述的一种支持故障注入的无人机半实物维修培训系统，其特征在于，所述模拟维修平台用于接收模拟飞控系统传递的故障信号，模拟飞控系统实时解算飞行控制律，计算出舵面指令，模拟各子系统总线接口协议，周期发送，形成闭环仿真，飞控系统操纵实物化模拟执行机构动作，并在实验台上显示故障提示。
4.根据权利要求1所述的一种支持故障注入的无人机半实物维修培训系统，其特征在于，所述交互式手册包括各种故障所对应的维修工具和维修方案。
5.根据权利要求1所述的一种支持故障注入的无人机半实物维修培训系统，其特征在于，所述仿真系统接收模拟维修教具舵机故障反馈的故障内容包括：
气动系数偏移，通过叠加量或比例量改变模型中正常的气动系数实现，对解算的气动力与力矩有偏差；
传感器参数偏差，通过在模拟传感器总线协议发送的数据帧中，增加该项的叠加量实现，飞机接收到有误差的传感器数据，控制律结算时，有误差；
传感器故障，通过飞行仿真程序停止发送模拟传感器的数据帧，造成通讯故障实现，飞控接收不到该传感器数据，若有备用传感器则切换；否则，控制律解算错误，造成事故；
风扰动，通过在飞行仿真程序中添加风量与风向因素实现，影响空速，攻角、侧滑角；
机体重量偏差，通过在飞行仿真程序中改变重量值实现，对重力造成偏差；
机体重心位置偏差，通过在飞行仿真程序中改变重心位置实现，产生滚转力矩等；
动力系统故障，通过在动力模块中，将输出置0实现，对推力产生影响。
6.根据权利要求1所述的一种支持故障注入的无人机半实物维修培训系统，其特征在于，所述仿真系统包括飞行控制系统、三维视景系统以及伺服动作系统，各系统直接的接口关系为：
飞行控制系统，接口类型为以太网UDP方式，周期发送方式，发送方向为双向；
三维视景系统，接口类型为以太网UDP方式，周期发送方式，发送方式为发送；
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117492383B (zh) * | 2024-01-03 | 2024-04-05 | 中南大学 | 一种基于半实物仿真的无人机自动化测试系统及方法 |
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2022
- 2022-07-18 CN CN202210842969.8A patent/CN115309069A/zh not_active Withdrawn
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| CN117492383B (zh) * | 2024-01-03 | 2024-04-05 | 中南大学 | 一种基于半实物仿真的无人机自动化测试系统及方法 |
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