一種旋翼飛行器機械安裝故障在線診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種能夠提高飛行控制精度的旋翼飛行器機械安裝故障在線診斷方法。該旋翼飛行器機械安裝故障在線診斷方法是通過監(jiān)視、記錄、分析旋翼飛行器實際飛行過程中的遙控及伺服信號參數(shù)，通過數(shù)據(jù)分析方法檢驗是否存在機械安裝誤差，并將可改進信息提供給操控者，鑒于旋翼飛行器飛行環(huán)境的復(fù)雜性，首先對遙控信號數(shù)據(jù)進行模糊分類，獲得當(dāng)前飛行器飛行狀態(tài)；之后通過ERP周期性檢測以及隊列競爭算法，判斷旋翼飛行器當(dāng)前飛行參數(shù)是否符合機身原有的動力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，獲得相應(yīng)的故障診斷，為旋翼飛行器操作人員提供機身調(diào)整建議，輔助操控者最終實現(xiàn)精準的飛行控制，可以大大提高飛行控制精度。適合在飛行器調(diào)試【技術(shù)領(lǐng)域】推廣運用。
【專利說明】一種旋翼飛行器機械安裝故障在線診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于飛行器調(diào)試【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種旋翼飛行器機械安裝故障在線診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002]四旋翼飛行器是一種具有四個旋翼(螺旋槳)的無人飛行器。其四個旋翼呈十字形或X形交叉結(jié)構(gòu)，相對的兩旋翼為一組，具有相同的旋轉(zhuǎn)方向；不同組的旋翼旋轉(zhuǎn)方向不同。與傳統(tǒng)的直升機不同，四旋翼直升機只能通過改變旋翼(螺旋槳)的速度來實現(xiàn)各種動作。它能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降、懸停、進退等飛行動作，具有機械結(jié)構(gòu)簡單、空間靈活性高、操控簡單、自治性好等特點，在航空拍攝、環(huán)境監(jiān)控、地質(zhì)遙測、安防監(jiān)控、輸電線路巡檢等領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用前景，是近年來智能機器人研究的前沿領(lǐng)域。
[0003]四旋翼飛行器通常依靠陀螺儀、加速度計、磁力計、GPS等傳感器構(gòu)成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)姿態(tài)、位置的測量，并通過飛行控制器(微處理器)進行解算、再通過控制算法算出姿態(tài)、位置控制信號；飛行控制器輸出控制信號分別控制四個旋翼上的電子調(diào)速器，驅(qū)動四個電機及其旋翼作相應(yīng)速度的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)不同的飛行運動。該飛行器是一個典型的非線性欠驅(qū)動系統(tǒng)，由四個驅(qū)動(輸入)信號驅(qū)動四個電機及其旋翼轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)俯仰(進退)、橫滾、升降共六個飛行動作。
[0004]四旋翼飛行器的空氣動力學(xué)模型較為簡單，飛行過程中對大氣壓及空氣流動特性的依賴程度較低。它在具備小區(qū)域、小范圍靈活運動優(yōu)勢的同時，更容易受到周圍環(huán)境以及自身控制裝置系統(tǒng)故障的影響，導(dǎo)致在短時間內(nèi)發(fā)生偏航甚至墜機事故。四旋翼飛行控制故障通常包括遙控器信號丟失、遙控信號不合理、傳感器故障、電機伺服信號丟失、電機伺服狀態(tài)不合理、機械安裝故障等六個方面。
[0005]目前旋翼飛行器的機械安裝故障校準均采用離線的機械調(diào)試方式進行，通過測量軸距等機械方法檢驗旋翼飛行器安裝誤差并矯正。此類機械安裝誤差診斷方法精度較低，與此同時，由于旋翼飛行器在飛行過程中自身抖動以及周圍環(huán)境變化，容易引起旋翼飛行器的機械結(jié)構(gòu)改變，直接影響旋翼飛行器飛行控制精度，甚至引起墜機故障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠提高飛行控制精度的旋翼飛行器機械安裝故障在線診斷方法。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:該旋翼飛行器機械安裝故障在線診斷方法，當(dāng)旋翼飛行器起飛后的時間超過I分鐘并完成懸停、俯仰、橫滾、升降動作后，根據(jù)下述分析步驟對飛行記錄數(shù)據(jù)庫飛行參數(shù)進行飛行狀態(tài)分析，包括以下步驟:
[0008]A、通過模糊分類方法，對遙控器各路信號參數(shù)進行分類以獲得當(dāng)前飛行狀態(tài)信息；
[0009]B、根據(jù)ERP周期性檢驗方法檢驗同一飛行狀態(tài)下的伺服信號參數(shù)變化，若遙控信號恒定時檢測到各路伺服信號的時間序列中均存在周期性信號，則表明傳感器平穩(wěn)姿態(tài)與旋翼飛行器機架的平穩(wěn)結(jié)構(gòu)間存在差異，旋翼飛行器某軸或多軸存在電機軸向安裝誤差；
[0010]C、對于飛行狀態(tài)相同且油門信號恒定時的伺服信號參數(shù)，通過隊列競爭算法排序相同伺服信號參數(shù)出現(xiàn)的概率，獲取當(dāng)前狀態(tài)下出現(xiàn)頻率最高的伺服信號參數(shù)作為當(dāng)前飛行狀態(tài)下的特征伺服信號參數(shù)；
[0011]Cl:將懸停狀態(tài)下的特征伺服信號參數(shù)與標(biāo)準伺服信號參數(shù)進行對比，若兩者信號間的差異大于標(biāo)準伺服信號參數(shù)的5%，則表明旋翼飛行器存在軸距安裝誤差或負重不平衡；
[0012]C2:當(dāng)油門通道的一階差分信號保持在同向恒力狀態(tài)，旋翼飛行器分別由兩次不同的單向飛行狀態(tài)切換至懸停狀態(tài)，獲取這兩次單向飛行狀態(tài)以及懸停飛行狀態(tài)的特征伺服信號參數(shù)，比較飛行狀態(tài)切換前后的特征伺服信號參數(shù)變化率，若某軸特征伺服信號參數(shù)在兩飛行狀態(tài)間的變化率比對軸的變化率高15%，則表明該軸存在旋翼損傷故障、旋翼軸向安裝誤差故障。
[0013]進一步的是，所述模糊分類方法的具體步驟如下所述:首先，對單路遙控信號參數(shù)進行辨識，其具體辨別規(guī)則如下:根據(jù)遙控信號參數(shù)小1判斷當(dāng)前飛行模式為信號過低、低檔、恒檔、高檔、信號過高，然后根據(jù)遙控信號參數(shù)Cti的一階差分信號參數(shù)Λ Cti判斷旋翼飛行器屬于同向加速、同向減速或同向恒力運動，實現(xiàn)單路遙控信號參數(shù)的辨識，接著綜合考慮各路遙控信號參數(shù)間的共同作用，將各路遙控信息標(biāo)示在飛行數(shù)據(jù)庫相應(yīng)位置。 [0014]進一步的是，所述ERP周期性檢驗方法的具體步驟如下所述:
[0015]B1、將各伺服信號參數(shù)中可能存在的周期性變化因素看作一種余弦波信號，使用




淺周期模型描述電機伺服信號參數(shù)為
【權(quán)利要求】
1.一種旋翼飛行器機械安裝故障在線診斷方法，當(dāng)旋翼飛行器起飛后的時間超過I分鐘并完成懸停、俯仰、橫滾、升降動作后，根據(jù)下述分析步驟對飛行記錄數(shù)據(jù)庫飛行參數(shù)進行飛行狀態(tài)分析，其特征在于包括以下步驟: A、通過模糊分類方法，對遙控器各路信號參數(shù)進行分類以獲得當(dāng)前飛行狀態(tài)信息； B、根據(jù)ERP周期性檢驗方法檢驗同一飛行狀態(tài)下的伺服信號參數(shù)變化，若遙控信號恒定時檢測到各路伺服信號的時間序列中均存在周期性信號，則表明傳感器平穩(wěn)姿態(tài)與旋翼飛行器機架的平穩(wěn)結(jié)構(gòu)間存在差異，旋翼飛行器某軸或多軸存在電機軸向安裝誤差； C、對于飛行狀態(tài)相同且油門信號恒定時的伺服信號參數(shù)，通過隊列競爭算法排序相同伺服信號參數(shù)出現(xiàn)的概率，獲取當(dāng)前狀態(tài)下出現(xiàn)頻率最高的伺服信號參數(shù)作為當(dāng)前飛行狀態(tài)下的特征伺服信號參數(shù)； Cl:將懸停狀態(tài)下的特征伺服信號參數(shù)與標(biāo)準伺服信號參數(shù)進行對比，若兩者信號間的差異大于標(biāo)準伺服信號參數(shù)的5%，則表明旋翼飛行器存在軸距安裝誤差或負重不平衡； C2:當(dāng)油門通道的一階差分信號保持在同向恒力狀態(tài)，旋翼飛行器分別由兩次不同的單向飛行狀態(tài)切換至懸停狀態(tài)，獲取這兩次單向飛行狀態(tài)以及懸停飛行狀態(tài)的特征伺服信號參數(shù)，比較飛行狀態(tài)切換前后的特征伺服信號參數(shù)變化率，若某軸特征伺服信號參數(shù)在兩飛行狀態(tài)間的變化率比對軸的變化率高15 %，則表明該軸存在旋翼損傷故障、旋翼軸向安裝誤差故障。
2.如權(quán)利要求1所述的旋翼飛行器機械安裝故障在線診斷方法，其特征在于:所述模糊分類方法的具體步驟如下所述:首先，對單路遙控信號參數(shù)進行辨識，其具體辨別規(guī)則如下:根據(jù)遙控信號參數(shù)小1判斷當(dāng)前飛行模式為信號過低、低檔、恒檔、高檔、信號過高，然后根據(jù)遙控信號參數(shù)Φ?的一階差分信號參數(shù)△小1判斷旋翼飛行器屬于同向加速、同向減速或同向恒力運動，實現(xiàn)單路遙控信號參數(shù)的辨識，接著綜合考慮各路遙控信號參數(shù)間的共同作用，將各路遙控信息標(biāo)示在飛行數(shù)據(jù)庫相應(yīng)位置。
3.如權(quán)利要求2所述的旋翼飛行器機械安裝故障在線診斷方法，其特征在于:所述ERP周期性檢驗方法的具體步驟如下所述: B1、將各伺服信號參數(shù)中可能存在的周期性變化因素看作一種余弦波信號，使用淺周期模型描述電機伺服信號參數(shù)為
4.如權(quán)利要求3所述的旋翼飛行器機械安裝故障在線診斷方法，其特征在于:所述隊列競爭算法的具體步驟如下所述: C01、根據(jù)步驟A辨識得到的旋翼飛行器的飛行狀態(tài)以及步驟B得到正常飛行過程中機械誤差因素影響，濾除當(dāng)前電機伺服信號參數(shù)中的常量偏置及周期性偏置； C02、去除電機伺服信號參數(shù)中存在時間最久的一組數(shù)據(jù)，并重新標(biāo)準化余下各數(shù)據(jù)的適應(yīng)度； C03、判斷當(dāng)前電機伺服信號參數(shù)是否與鏈表中舊參數(shù)相同或匹配度極高，若是，則歸類為同一家族，最終得到當(dāng)前飛行狀態(tài)下m個家族數(shù)據(jù)x[i][j]，其中，i =j =.1，2，3，4，依次表示各個電機伺服信號參數(shù)數(shù)據(jù)； C04、計算當(dāng)前電機伺服信號參數(shù)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的概率，以及所屬分段出現(xiàn)的概率； C05、綜合考慮步驟C04各排序參數(shù)，并針對當(dāng)前m個家族依靠出現(xiàn)概率進行排序； C06、根據(jù)當(dāng)前排序序列，使用白噪聲或高斯噪聲加入噪點分別對m個家族進行變異，然后進行隊列競爭計算，得到當(dāng)前隊列最優(yōu)值。
【文檔編號】G05B23/02GK103995529SQ201410213248
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】王曉東, 馬磊 申請人:西南交通大學(xué)