CN115903539B - 一种结合物理仿真平台的飞行器舵回路故障模拟方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种结合物理仿真平台的飞行器舵回路故障模拟方法，涉及飞行器技术领域，该方法利用伺服电机连接并驱动挂载有预定质量的重物负载的舵面模型、搭建得到物理仿真平台，结合数字仿真平台一起构成飞行器半物理仿真实验系统，通过调节物理仿真平台中施加在舵面模型上的物理加载参数和/或调节数字仿真平台中使用的飞行器的运动模型参数来模拟舵面模型的故障类型，采用数字物理结合方式进行故障模拟，可以更为准确真实地对故障进行描述与模拟，同时能够更加获取更加完备的故障数据集，有利于针对飞行器舵回路的故障的分析，为后续的容错与诊断研究提供了基础。

Description

一种结合物理仿真平台的飞行器舵回路故障模拟方法

技术领域

本申请涉及飞行器技术领域，尤其是一种结合物理仿真平台的飞行器舵回路故障模拟方法。

背景技术

全世界现有75个国家拥有19个国家制造的约130种各型飞行器。各类飞行器用途多样，被广泛应用在各种军事和民用领域中。现代飞行器的功能逐渐丰富、因此自身结构也日趋复杂，再加上外部各种干扰的作用，飞行器的可靠性也受到了影响，飞行器在执行任务过程中发生故障的可能性在逐步提高。飞行器在发生故障时若不能及时发现并采取有效对策，不仅会影响所执行的任务，还会导致飞行器直接被弃用而降低了重复使用率。因此对飞行器典型故障进行分析是确保飞行器正常运行的必要保障，也是进一步采取有效容错措施的基础。

目前对飞行器典型故障进行分析的主流做法是对典型故障类型与机理进行分析，建立对应数学模型，并使用数字仿真方式进行模拟注入，但是这种模拟方式较为简单，对飞行器的实际飞行过程模拟的往往不够准确，导致模拟仿真的准确度有限，效果往往不够理想。

发明内容

本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种结合物理仿真平台的飞行器舵回路故障模拟方法，本申请的技术方案如下：

一种结合物理仿真平台的飞行器舵回路故障模拟方法，该方法包括：

搭建针对飞行器的舵面的物理仿真平台，包括：利用伺服电机连接并驱动舵面模型，舵面模型上挂载有预定质量的重物负载，预定质量与飞行器的飞行信息匹配；

将伺服电机连接到数字仿真平台，伺服电机按照从数字仿真平台获取到的舵面偏转指令指示的目标舵偏角驱动舵面模型进行偏转，并将实时运行数据反馈给数字仿真平台，数字仿真平台基于飞行器的运动模型结合实时运行数据更新输出的舵面偏转指令；实时运行数据包括实时的电机的实际舵偏角和电机电力数据；

在伺服电机驱动舵面模型进行偏转的过程中，调节物理仿真平台中施加在舵面模型上的物理加载参数和/或调节数字仿真平台中使用的飞行器的运动模型参数以模拟舵面模型的故障类型，记录数字仿真平台中获取到的受故障类型的故障作用下的实时运行数据。

其进一步的技术方案为，故障类型包括舵面卡死故障，模拟舵面模型的舵面卡死故障的方法包括：

在物理仿真平台中增加预定位置处的限位块，限位块位于舵面模型的偏转周向上、阻挡舵面模型的偏转，使得伺服电机发生堵转。

其进一步的技术方案为，故障类型包括舵面缺损故障，模拟舵面模型的舵面缺损故障的方法包括：

减小物理仿真平台中挂载在舵面模型上的重物负载的质量，且，改变数字仿真平台中使用的飞行器的气动参数。

其进一步的技术方案为，模拟舵面模型的舵面缺损故障的方法包括：

根据缺损比例减小挂载在舵面模型上的重物负载的质量以及飞行器的气动参数，以模拟具有缺损比例的舵面缺损故障。

其进一步的技术方案为，根据缺损比例减小挂载在舵面模型上的重物负载的质量的方法包括：

按照缺损比例等比例减小重物负载的质量。

其进一步的技术方案为，根据缺损比例改变数字仿真平台中使用的飞行器的气动参数的方法包括：

构建具有缺损比例的舵面的飞行器几何模型，并对飞行器几何模型进行网格化处理后进行数字风洞实验，得到具有缺损比例的舵面的飞行器的故障气动参数，将数字仿真平台中使用的飞行器的气动参数更新为故障气动参数。

其进一步的技术方案为，故障类型包括舵面松浮故障，模拟舵面模型的舵面松浮故障的方法包括：

断开物理仿真平台中挂载在舵面模型上的重物负载，且，根据飞行器的飞行信息改变数字仿真平台输出给伺服电机的舵面偏转指令所指示的目标舵偏角。

其进一步的技术方案为，改变数字仿真平台输出的舵面偏转指令所指示的目标舵偏角的方法包括：

基于舵面的舵偏角在舵面松浮故障下受飞行速度和环境风速的作用的特征，对飞行器的飞行信息指示的飞行速度和环境风速进行力的合成并得到对应的目标舵偏角。

其进一步的技术方案为，该方法还包括：

获取飞行器在按照飞行信息飞行过程中由纵向飞行速度产生的风压值的统计数据，并根据统计数据确定舵面加载估计值；

根据伺服电机的扭矩确定与舵面加载估计值对应的重物负载的预定质量。

其进一步的技术方案为，重物负载的质量用于模拟纵向飞行速度对舵面模型受到的外部负载力矩的影响，舵面模型的实际舵偏角越大、重物负载对伺服电机的电机轴施加的外部负载力矩越大。

本申请的有益技术效果是：

本申请公开了一种结合物理仿真平台的飞行器舵回路故障模拟方法，该方法利用伺服系统组成物理仿真平台，结合数字仿真平台一起构成飞行器半物理仿真实验系统，通过调节物理仿真平台中施加在舵面模型上的物理加载参数和/或调节数字仿真平台中使用的飞行器的运动模型参数来模拟舵面模型的故障类型，采用数字物理结合方式进行故障模拟，可以更为准确真实地对故障进行描述与模拟，同时能够更加获取更加完备的故障数据集，有利于针对飞行器舵回路的故障的分析，为后续的容错与诊断研究提供了基础。

附图说明

图1是本申请的飞行器舵回路故障模拟方法的应用场景示意图。

图2是调节物理仿真平台中施加在舵面模型上的物理加载参数以模拟舵面卡死故障的示意图。

图3是舵面模型在模拟舵面松浮故障时的受力示意图。

图4是一个仿真实例中伺服电机反馈给数字仿真平台的实际舵偏角与数字仿真平台发送的舵面偏转指令指示的目标舵偏角的对比示意图。

图5与图4同一个仿真实例中伺服电机反馈给数字仿真平台的电机电力数据的数据示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种结合物理仿真平台的飞行器舵回路故障模拟方法，请参考图1所示的应用场景图，该方法包括如下步骤：

1、搭建针对飞行器的舵面的数字仿真平台。初始化飞行器各项飞行信息，飞行器的飞行信息主要包括飞行速度V、环境风速Ve以及舵面侧面面积S等。在一个实施例中，可以基于matlab软件搭建数字仿真平台，并基于python软件编写伺服系统数据接收、驱动程序。

2、搭建针对飞行器的舵面的物理仿真平台。

利用伺服电机的电机轴连接并驱动舵面模型1，每个舵面模型1用于模拟飞行器中的一个舵面。每一台伺服电机及其驱动的舵面模型1用于模拟飞行器舵回路系统中的一台舵机，在一个实例中，飞行器舵回路系统中包括四台舵机共同完成滚转、俯仰和偏航的控制，则搭建的物理仿真平台实际包括四台伺服电机驱动各自的舵面模型1的结构。

舵面模型1上挂载有预定质量的重物负载2，该预定质量与飞行器的飞行信息匹配。这里的重物负载2实际一般采用砝码实现。本申请利用在舵面模型1上挂载重物负载2的方式来模拟飞行器的舵面在飞行过程中受到的外部负载情况。

飞行器的单个舵面在飞行器正常飞行过程中受到的垂直于舵面的合外力受到舵偏角δ、飞行器的飞行速度V、环境风速Ve和舵面侧面面积S的影响。飞行器的飞行速度V可以分解为沿着飞行方向的纵向飞行速度Vx及其水平面上垂直的横向飞行速度Vy。对于舵面侧面面积S一定的飞行器，环境风速Ve一般远小于飞行器的飞行速度V，横向飞行速度Vy远小于纵向飞行速度Vx。因此在误差范围内化简可知，飞行器的单个舵面在飞行器正常飞行过程中受到的垂直于舵面的合外力主要受到舵偏角δ、飞行器的纵向飞行速度Vx、舵面侧面面积S的影响，一般可以表示为其中，ρ是空气密度。

根据公式可知，舵面受到的垂直于舵面的合外力F是实时变化的，舵面的外部负载力矩在飞行过程中是一个变值，该值主要由舵偏角δ与纵向飞行速度Vx决定，且舵偏角δ越大、舵面受到的合外力F越大、舵面受到的外部负载力矩越大，纵向飞行速度Vx越大、舵面受到的合外力F越大、舵面受到的外部负载力矩越大。

本申请采用重物负载2对舵面受到的外部负载力矩进行定性的描述，重物负载2的质量用于模拟纵向飞行速度Vx对舵面模型1受到的外部负载力矩的影响，重物负载2的质量越大、所模拟的纵向飞行速度Vx越大，从而可以定性描述纵向飞行速度Vx对舵面受到的外部负载力矩的影响。舵面模型1的实际舵偏角δ越大、重物负载2对伺服电机的电机轴施加的外部负载力矩越大，从而可以模拟舵偏角δ对伺服电机的电机轴的影响。

因此与飞行器的飞行信息匹配的重物负载2的预定质量也是很关键的一个因素，在一个实施例中，确定重物负载2的预定质量的方法为：获取飞行器在按照该飞行信息飞行过程中由纵向飞行速度Vx产生的风压值的统计数据，并根据该统计数据确定舵面加载估计值，比如一般选取风压值的统计数据的中位值作为舵面加载估计值。然后根据伺服电机的扭矩确定与该舵面加载估计值对应的重物负载2的预定质量。

3、将物理仿真平台接入数字仿真平台实现数据实时交互传输。

将伺服电机作为物理环节连接到数字仿真平台、以取代飞行器舵回路系统，构成由物理仿真平台和数字仿真平台共同构成的完整的飞行器闭环半物理仿真系统。在一个实施例中，伺服电机通过串口连接数字仿真平台，可以与数字仿真平台实现双向数据传输。

4、利用物理仿真平台和数字仿真平台结合实现对舵面模型1的运动控制。

数字仿真平台产生舵面偏转指令并发送给物理仿真平台的伺服电机，伺服电机按照从数字仿真平台获取到的舵面偏转指令指示的目标舵偏角驱动舵面模型1进行偏转，并将实时运行数据反馈给数字仿真平台，实时运行数据包括实时的电机的实际舵偏角和电机电力数据，电机电力数据主要包括电机电流等。数字仿真平台基于飞行器的运动模型结合实时运行数据更新输出的舵面偏转指令，返回给伺服电机，重复上述控制过程。

5、在伺服电机驱动舵面模型1进行偏转的过程中，实现故障模拟。

调节物理仿真平台中施加在舵面模型1上的物理加载参数和/或调节数字仿真平台中使用的飞行器的运动模型参数以模拟舵面模型1的故障类型，记录数字仿真平台中获取到的受故障类型的故障作用下的实时运行数据，从而可以获取到某一种故障类型下的实时运行数据，便于进行后续的故障分析。

与常规做法仅利用数字仿真平台进行模拟注入的做法不同，本申请利用物理仿真平台和数字仿真平台结合的做法进行故障的注入。

在模拟不同的故障类型时，实现的故障注入的方法是不同的，本申请针对的飞行器舵面几种典型的故障类型分别介绍如下：

(1)舵面卡死故障

在舵面出现舵面卡死故障时，舵面无法响应舵面偏转指令进行偏转，在机械层面上卡死于某个位置。基于此，本申请模拟舵面模型1的舵面卡死故障的方法包括在物理仿真平台中增加预定位置处的限位块，限位块位于舵面模型1的偏转周向上、阻挡舵面模型1的偏转，使得伺服电机发生堵转。这时伺服电机反馈给数字仿真平台的实际舵偏角在舵面模型1偏转至为被限位块挡住的位置后保持恒定值不变、伺服电机反馈给数字仿真平台的电机电力数据也会相应发生变化，从而舵面卡死故障的仿真模拟。

请参考图2所示的对舵面模型1的俯视示意图，为了限位的稳定和可靠，一般在电机轴的两侧对称设置两个限位块3。而为了方便调节，每个限位块3设置在一个滑轨4上，通过调节限位块3在滑轨4上的位置就可以调节舵面模型1被限位块3挡住的位置，从而可以舵偏角下发生舵面卡死故障的情况进行模拟。

(2)舵面缺损故障

舵面缺损故障指舵面由于外部干扰而产生面积缺损的情况，故障数学模型表示为u_out(t)表示舵面输出的气动力或气动力矩随时间t的变化情况，在t_s时刻发生舵面缺损故障后，u_out(t)由原先的u(t)变为还受缺损比例σ的影响，0<σ<1。

根据舵面缺损故障的机理特性，本申请通过减小物理仿真平台中挂载在舵面模型1上的重物负载2的质量，且，改变数字仿真平台中使用的飞行器的气动参数来模拟舵面模型1的舵面缺损故障。

对于舵面缺损故障，当舵面的缺损比例不同时，舵面受到舵面缺损故障的影响不同，因此还需要考虑舵面的缺损比例，对于每一种要模拟的缺损比例，根据缺损比例减小挂载在舵面模型1上的重物负载2的质量以及飞行器的气动参数，以模拟具有缺损比例的舵面缺损故障。按照这种方法可以对各种缺损比例的舵面缺损故障进行模拟。

根据缺损比例减小挂载在舵面模型1上的重物负载2的质量的方法包括：按照缺损比例等比例减小重物负载2的质量。比如重物负载2正常情况下的预定质量为G，则按照缺损比例σ等比例减小重物负载2的质量后，重物负载2的质量减小变为G·σ。

根据缺损比例改变数字仿真平台中使用的飞行器的气动参数的方法包括：构建具有该缺损比例的舵面的飞行器几何模型，并对飞行器几何模型进行网格化处理后进行数字风洞实验，得到具有缺损比例的舵面的飞行器的故障气动参数，将数字仿真平台中使用的飞行器的气动参数更新为故障气动参数。在这一过程中，可以使用CATIA软件构建飞行器几何模型，使用POINTWISE软件对飞行器几何模型进行网格化，然后使用CFD进行数字风洞实验。

(3)舵面松浮故障

舵面松浮故障指舵面与舵机之间的连接完全切断，两者之间的铰链力矩为零，舵面不受舵机轴的控制，完全受外部环境的影响，且无任何输出。基于故障的机理特性，本申请通过断开物理仿真平台中挂载在舵面模型1上的重物负载2，且，根据飞行器的飞行信息改变数字仿真平台输出给伺服电机的舵面偏转指令所指示的目标舵偏角来模拟舵面模型1的舵面松浮故障。

断开物理仿真平台中挂载在舵面模型1上的重物负载2后，伺服电机的电机轴不受外部负载力矩的影响，从而可以模拟飞行器器舵机轴在舵面松浮故障时不受外部负载力矩影响的情况。

在出现舵面松浮故障指时后，舵面的舵偏角受飞行速度V和环境风速Ve的作用，飞行速度V可以分解为沿着飞行方向的纵向飞行速度Vx和水平面上垂直于纵向飞行速度Vx的横向飞行速度Vy，同样的，环境风速Ve可以分解为沿着飞行方向的纵向环境风速Vex和水平面上垂直于纵向环境风速Vex的横向环境风速Vey。根据风压公式分别计算舵面受到的纵向飞行速度Vx产生的力Fxv、横向飞行速度Vy产生的力Fyv、纵向环境风速Vex产生的力Fxw和横向环境风速Vey产生的力Fyw。请结合图3所示的舵面模型1在舵面松浮故障时受力分析示意图，则对飞行器的飞行信息指示的飞行速度和环境风速进行力的合成得到合力Ft后，计算得到对应的目标舵偏角。

在一个仿真实例中，基于matlab软件搭建飞行器数字仿真平台，基于python软件编写伺服系统数据接收、驱动程序。初始化飞行器各项初始飞行信息，初始化飞行器故障数字模拟信息，编辑飞行导航点。包括在基于matlab的数字仿真平台中，设置飞行器的飞行信息包括飞行速度为240m/s、姿态角为0、起飞高度500m、第一个导航点为[1000，0，0]，之后做平飞运动。

根据本申请提供的方法在20s时在物理仿真平台中增加预定位置处的限位块3从而模拟仿真舵面卡死故障。此时伺服电机反馈给数字仿真平台的实际舵偏角的示意图如图4中的虚线所示，而数字仿真平台发送的舵面偏转指令指示的目标舵偏角如图4中的实线所示。伺服电机反馈给数字仿真平台的电机电力数据如图5所示。由图4和图5可以看出，在20s处通过物理仿真平台增加限位块3注入故障时后，实际舵偏角之后基本保持不变，且电流数据发生突变，突变幅值大，出现电机堵转的现象，由此实现了对故障的准确模拟。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种结合物理仿真平台的飞行器舵回路故障模拟方法，其特征在于，所述方法包括：

搭建针对飞行器的舵面的物理仿真平台，包括：利用伺服电机连接并驱动舵面模型，所述舵面模型上挂载有预定质量的重物负载，所述预定质量与飞行器的飞行信息匹配；

将所述伺服电机连接到数字仿真平台，所述伺服电机按照从所述数字仿真平台获取到的舵面偏转指令指示的目标舵偏角驱动所述舵面模型进行偏转，并将实时运行数据反馈给所述数字仿真平台，所述数字仿真平台基于飞行器的运动模型结合所述实时运行数据更新输出的舵面偏转指令；所述实时运行数据包括实时的电机的实际舵偏角和电机电力数据；

在所述伺服电机驱动所述舵面模型进行偏转的过程中，调节所述物理仿真平台中施加在所述舵面模型上的物理加载参数和/或调节所述数字仿真平台中使用的飞行器的运动模型参数以模拟所述舵面模型的故障类型，记录所述数字仿真平台中获取到的受所述故障类型的故障作用下的实时运行数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述故障类型包括舵面卡死故障，模拟所述舵面模型的舵面卡死故障的方法包括：

在所述物理仿真平台中增加预定位置处的限位块，所述限位块位于所述舵面模型的偏转周向上、阻挡所述舵面模型的偏转，使得所述伺服电机发生堵转。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述故障类型包括舵面缺损故障，模拟所述舵面模型的舵面缺损故障的方法包括：

减小所述物理仿真平台中挂载在所述舵面模型上的重物负载的质量，且，改变所述数字仿真平台中使用的飞行器的气动参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，模拟所述舵面模型的舵面缺损故障的方法包括：

根据缺损比例减小挂载在所述舵面模型上的重物负载的质量以及飞行器的气动参数，以模拟具有所述缺损比例的舵面缺损故障。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据缺损比例减小挂载在所述舵面模型上的重物负载的质量的方法包括：

按照所述缺损比例等比例减小所述重物负载的质量。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据缺损比例改变所述数字仿真平台中使用的飞行器的气动参数的方法包括：

构建具有所述缺损比例的舵面的飞行器几何模型，并对所述飞行器几何模型进行网格化处理后进行数字风洞实验，得到具有所述缺损比例的舵面的飞行器的故障气动参数，将所述数字仿真平台中使用的飞行器的气动参数更新为所述故障气动参数。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述故障类型包括舵面松浮故障，模拟所述舵面模型的舵面松浮故障的方法包括：

断开所述物理仿真平台中挂载在所述舵面模型上的重物负载，且，根据飞行器的飞行信息改变所述数字仿真平台输出给所述伺服电机的舵面偏转指令所指示的目标舵偏角。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，改变所述数字仿真平台输出的舵面偏转指令所指示的目标舵偏角的方法包括：

基于舵面的舵偏角在舵面松浮故障下受飞行速度和环境风速的作用的特征，对飞行器的飞行信息指示的飞行速度和环境风速进行力的合成并得到对应的目标舵偏角。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取飞行器在按照所述飞行信息飞行过程中由纵向飞行速度产生的风压值的统计数据，并根据所述统计数据确定舵面加载估计值；

根据所述伺服电机的扭矩确定与所述舵面加载估计值对应的所述重物负载的所述预定质量。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重物负载的质量用于模拟纵向飞行速度对所述舵面模型受到的外部负载力矩的影响，所述舵面模型的实际舵偏角越大、所述重物负载对所述伺服电机的电机轴施加的外部负载力矩越大。