基于工控網(wǎng)關(guān)架構(gòu)的無人機(jī)機(jī)艙設(shè)備故障診斷方法

徐東 黃海艇 劉典勇 蘇道靜

摘要：文章提出了一種基于工控網(wǎng)關(guān)架構(gòu)的無人機(jī)機(jī)艙設(shè)備故障診斷方法，具體介紹了系統(tǒng)的硬件、軟件組成，并對該方法的工作原理和實現(xiàn)方法進(jìn)行了介紹。結(jié)果顯示當(dāng)無人機(jī)機(jī)艙設(shè)備發(fā)生故障時，該方法可準(zhǔn)確地診斷故障，提高無人機(jī)的安全性和自動化程度。

關(guān)鍵詞：工控網(wǎng)關(guān);無人機(jī);故障診斷

中圖分類號：V241 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）09-0102-07

近年來，無人機(jī)因操作簡單、工作效率高等特點廣泛地應(yīng)用于航拍、農(nóng)業(yè)、軍事等領(lǐng)域。無人機(jī)系統(tǒng)通常由飛行控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電臺傳輸系統(tǒng)以及其它任務(wù)系統(tǒng)組成。無人機(jī)系統(tǒng)工作時，可同時完成多項任務(wù)，當(dāng)機(jī)艙內(nèi)部發(fā)生故障時，輕則影響無人機(jī)飛行作業(yè)的精度，重則導(dǎo)致無人機(jī)系統(tǒng)失靈，出現(xiàn)墜機(jī)事故?，F(xiàn)有的無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障時，約90%的故障檢測和診斷過程都在飛行控制器中完成，該過程在無人機(jī)系統(tǒng)工作時會占用一部分內(nèi)存，影響系統(tǒng)工作。當(dāng)前無人機(jī)故障的診斷基本依賴于事后工程師的經(jīng)驗性分析，然而支持分析工作的信息僅限于發(fā)生故障造成的結(jié)果以及機(jī)艙設(shè)備可能保存的一些警告信息等，開展無人機(jī)機(jī)艙設(shè)備診斷工作困難并且需要花費大量時間才能診斷出故障發(fā)生的原因。

工控網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)和工控系統(tǒng)的核心組件，使用不同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式或語言、在相同或者不同結(jié)構(gòu)的兩種體系之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的移動，是目前最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，工控網(wǎng)關(guān)在自動控制系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。由于工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備通訊通常都遵守一定的規(guī)約格式，這些規(guī)約其實由大量的國際工業(yè)巨頭制定的標(biāo)準(zhǔn)，他們發(fā)布這些標(biāo)準(zhǔn)，一方面是為了實現(xiàn)自己產(chǎn)品才有的特色，另一方面，也是為了更多地推廣自己生態(tài)鏈內(nèi)的產(chǎn)品。常見規(guī)約都是跟著PLC走的，比如施耐德：modbus，西門子：Profibus/Profinet，羅克韋爾：DFl/EthernetIP，三菱：CCLink等。但是在工業(yè)現(xiàn)場涉及的產(chǎn)品種類非常多，使用的協(xié)議也不相同，然而設(shè)備和設(shè)備，系統(tǒng)和系統(tǒng)之間一定有相當(dāng)多信息要互相溝通，才能達(dá)成整體自動化。因此，工控網(wǎng)關(guān)把不同的語言轉(zhuǎn)換成同一種語言，這樣整個系統(tǒng)才能達(dá)成統(tǒng)一。

因此文章結(jié)合現(xiàn)有的無^機(jī)機(jī)艙設(shè)備診斷技術(shù)，提出了一種基于工控網(wǎng)關(guān)的無人機(jī)機(jī)艙設(shè)備故障診斷方法，該方法由故障發(fā)生的分系統(tǒng)發(fā)送無人機(jī)通用故障代碼到飛行控制器中，飛行控制器解譯故障代碼，并與標(biāo)準(zhǔn)故障代碼庫中的代碼匹配，查找并顯示出該故障代碼對應(yīng)的診斷信息，使用工控網(wǎng)關(guān)技術(shù)能夠自動進(jìn)行搜集故障信息和提供診斷結(jié)果。該方法在一定程度上提高了無人機(jī)機(jī)艙設(shè)備診斷系統(tǒng)的安全『生和自動化程度。

1.故障診斷工作原理

1.1無人機(jī)機(jī)體模型

1.3電量

目前市場上的無人機(jī)大多數(shù)采用鋰電池作為動力來源，鋰電池在工作過程中，電壓會隨著放點過程逐漸降低，并且電壓變化率也會隨著電池電量的變化而變化。通過搜集不同型號的鋰電池，統(tǒng)計了額定電壓為12V的鋰電池在放電過程中的電壓變化，結(jié)果如圖1所示。

診斷系統(tǒng)首先根據(jù)接收的電池參數(shù)確定電池的電量和類型，同時計算當(dāng)前已消耗的電量。為保證無人機(jī)的作業(yè)安全，當(dāng)無人機(jī)電池電量低于額定電壓的30%時，就向系統(tǒng)發(fā)出報警信號，系統(tǒng)根據(jù)警告信號進(jìn)一步的對電池故障進(jìn)行檢測，當(dāng)剩余電量大于5%時發(fā)出報警。另外當(dāng)無人機(jī)電量充足的過程中，檢測無人機(jī)的飛行姿態(tài)角，姿態(tài)角度大于70°時，表明無人機(jī)飛行不穩(wěn)定，有墜機(jī)危險，并及時向系統(tǒng)發(fā)出報警信號。

1.4飛控系統(tǒng)故障

2.系統(tǒng)組成

針對無人機(jī)作業(yè)過程中常見的故障問題，文中提出了一種基于工控網(wǎng)關(guān)的故障診斷系統(tǒng)，對無人機(jī)機(jī)艙設(shè)備故障進(jìn)行診斷，該系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示。便攜式的工控計算機(jī)作為總線控制器，同時外接各種總線儀器，便于現(xiàn)場診斷過程中顯示和輸出診斷結(jié)果。

2.1硬件模塊

工控網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)和工控系統(tǒng)的核心組件，使用不同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式或語言、在相同或者不同結(jié)構(gòu)的兩種體系之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的移動，是目前最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備，工控網(wǎng)關(guān)在自動控制系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。文章將Modbus Master通信協(xié)議用于工控網(wǎng)關(guān)中，物理端口支持RS485。便攜式工控機(jī)采用Intel core i78700型，內(nèi)存為64GB。主要完成無人機(jī)機(jī)艙設(shè)備故障診斷過程中的故障信息的存儲、數(shù)據(jù)分析整理、解譯故障代碼并生成診斷維修報告。工控機(jī)還對傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，同時完成對數(shù)據(jù)的分析，包括頻譜分析和波段分析等，最后顯示檢測和診斷的結(jié)果，也可以完成人機(jī)交互功能。

二通道的智能數(shù)據(jù)采集卡用于對無人機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)波形、時序在線監(jiān)視和測量，以及完成對接受的信號進(jìn)行頻譜分析和波段分析，并將分析結(jié)果儲存。該數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為50MHz，分辨率為6bit，帶寬為20MHz。

通用信號測試卡主要用于對無人機(jī)上各種電信號檢測，主要包括陀螺儀信號、各旋翼電機(jī)信號、氣壓傳感器信號、GPS信號、飛行參數(shù)信號（飛行高度、飛行速度和航向角等）、電源電壓參數(shù)等，這些信號主要以電壓、電流、電阻和邏輯測試檔等形式出現(xiàn)。為滿足不同機(jī)型的無人機(jī)在各種環(huán)境下測試，采用適配器來滿足對無人機(jī)各個接插口的實時監(jiān)測。

2.2軟件模塊

基于工控網(wǎng)關(guān)的無人機(jī)機(jī)艙設(shè)備故障診斷系統(tǒng)的軟件采用模塊化思想設(shè)計，主要包含有測試管理模塊、知識庫管理模塊、診斷信息獲取模塊、故障診斷模塊以及維修管理模塊。軟件的工作示意圖如圖4所示。

測試管理模塊主要完成對智能數(shù)據(jù)采集卡和通用信號測試卡等的管理，通過測試無人機(jī)的各種性能指標(biāo)參數(shù)、波形及時序分析，并實現(xiàn)對信號的儲存和分析。知識庫管理模塊主要由規(guī)則庫、故障樹模型庫、故障事例庫以及維修資料庫組成。該模塊為知識庫的建立和維護(hù)提供開放式的操作。即用戶可方便地對這些庫進(jìn)行輸入、修改、添加、刪除及瀏覽操作。用戶通過搜集無人機(jī)作業(yè)故障的診斷信息，通過對上述的庫進(jìn)行添加操作，豐富庫資源，提高無人機(jī)故障診斷的精度。診斷信息獲取模塊由數(shù)據(jù)采集，征兆數(shù)據(jù)庫和交互獲取三部分組成，通過自動和交互兩種方式獲取與診斷推理有關(guān)的信息。有些信息可通過自動測試平臺自動獲取，對于難于獲取的信息可以通過專家分析后才能獲得的信息則必須通過交互方式得到。

故障診斷模塊由框架推理、模型推理和規(guī)則推理三部分組成。它根據(jù)獲得的故障信息首先進(jìn)行框架推理，啟動故障征兆對應(yīng)的系統(tǒng)級框架，然后啟動相應(yīng)的故障搜索樹模型框架，進(jìn)而進(jìn)行規(guī)則推理，直至將故障定位到可更換的位置。故障診斷模塊工作流程圖如圖5所示。維修管理模塊主要是將每次故障診斷與維修的結(jié)論生成維修情況報告表，如果故障征兆數(shù)據(jù)庫中沒有本次故障征兆，則將本次故障作為事例存人事例數(shù)據(jù)庫。用戶界面則是為了方便實現(xiàn)人機(jī)交互功能，用戶可根據(jù)界面上的引導(dǎo)選擇相關(guān)功能，系統(tǒng)根據(jù)用戶的選擇試驗相應(yīng)的功能。

2.3故障診斷結(jié)果

無人機(jī)機(jī)艙設(shè)備故障診斷軟件在Windows7環(huán)境下采用C#語言在Microsoft Visual Studio中編程開發(fā)的。Microsoft Visual Studio（簡稱VS）是美國微軟公司的開發(fā)工具包系列產(chǎn)品，VS是一個基本完整的開發(fā)工具集，它包括了整個軟件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代碼管控工具、集成開發(fā)環(huán)境（IDE）等。故障診斷軟件采用模塊式設(shè)計，用戶可根據(jù)自身需要選擇相應(yīng)功能。

為檢測故障診斷軟件的靈敏度和診斷精度，進(jìn)行了相關(guān)的試驗驗證。實驗中，采用四旋翼無人機(jī)作為測試無人機(jī)，無人機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

試驗過程中分別設(shè)置了無人機(jī)常見的三種故障類型，分別是恒增益故障、恒偏差故障和卡死故障，分別測試不同故障類型情況下系統(tǒng)特性與正常運行情況下的系統(tǒng)特性對比。同時為了驗證所提出的基于工控網(wǎng)關(guān)的無人機(jī)機(jī)艙設(shè)備故障診斷方法的有效性，使用Matlab2016的Simulink插件進(jìn)行仿真試驗，通過對無人機(jī)機(jī)艙相關(guān)設(shè)備進(jìn)行施加故障，并輸出仿真結(jié)果。

當(dāng)無人機(jī)系統(tǒng)無故障時，仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖中曲線可得，當(dāng)無人機(jī)系統(tǒng)無故障時，故障標(biāo)志為0，作動器實際輸出與解析輸出變化趨勢一致，殘差基本為零，系統(tǒng)工作狀態(tài)正常。

當(dāng)對無人機(jī)系統(tǒng)施加信號產(chǎn)生卡死故障時，輸出的仿真結(jié)果曲線如圖7所示。由圖7中曲線可知，當(dāng)無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)生卡死故障時，實際輸出與解析輸出變化趨勢不同，隨著步數(shù)的增加，殘差值逐漸變大，故障標(biāo)志由正常狀態(tài)下的0變?yōu)?。由仿真結(jié)果可看到，無人機(jī)在第210步時發(fā)生卡死，系統(tǒng)診斷出故障時的采樣步數(shù)為215步，由此可推算出系統(tǒng)診斷出卡死故障的時間為0.05s。

當(dāng)對無人機(jī)系統(tǒng)施加恒增益故障時，仿真時設(shè)置的增益變化值為0.5，輸出的仿真結(jié)果如圖8所示。

由圖8中的曲線可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生恒增益故障時，實際輸出與解析輸出出現(xiàn)偏差，殘差值的變化趨勢為先增大后減小，故障標(biāo)志由正常狀態(tài)下的0變?yōu)楣收蠘?biāo)志1。仿真結(jié)果顯示，恒增益故障發(fā)生在215步，當(dāng)故障診斷系統(tǒng)檢測到故障時，采樣步數(shù)為218步，因此可推算出，故障診斷系統(tǒng)檢測時間為0.03s。

仿真時，對無人機(jī)系統(tǒng)施加恒偏差故障信號時，仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9中的曲線可知，無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)生恒偏差故障時，實際輸出與解析輸出變化趨勢不同，殘差值迅速變化，并穩(wěn)定在-1左右，因此表明恒偏差的度數(shù)為1度。故障標(biāo)志位由正常狀態(tài)的0變化為故障標(biāo)志1。輸出結(jié)果顯示，系統(tǒng)接收到恒偏差故障時的步數(shù)為220步左右，當(dāng)診斷系統(tǒng)檢測到恒偏差故障時的采樣步數(shù)為225步，由此可推算故障診斷系統(tǒng)的響應(yīng)時間為0.05s。

為檢測系統(tǒng)診斷故障的準(zhǔn)確率，試驗一共進(jìn)行了20組試驗，并統(tǒng)計了每次試驗的準(zhǔn)確率，準(zhǔn)確率曲線如圖10所示。

由圖10中曲線可知，20次重復(fù)試驗的診斷準(zhǔn)確率都在96%以上，表明所設(shè)計的無人機(jī)機(jī)艙設(shè)備故障診斷系統(tǒng)可準(zhǔn)確的診斷出無人機(jī)系統(tǒng)的故障。

3結(jié)語

基于工控網(wǎng)關(guān)技術(shù)開發(fā)了無人機(jī)機(jī)艙設(shè)備故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用工控網(wǎng)關(guān)技術(shù)可同時對飛行控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電臺傳輸系統(tǒng)以及其它任務(wù)系統(tǒng)的接口信號快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行波形、時序以及電參數(shù)等測量分析。結(jié)合故障診斷庫系統(tǒng)，通過對故障信號解譯獲取故障信息，并給出診斷結(jié)果和解決措施，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的故障診斷能力，經(jīng)過仿真測試可知，系統(tǒng)診斷故障的準(zhǔn)確率高于96%，表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、準(zhǔn)確性良好。另外基于c#語言的人機(jī)交互界面，可實現(xiàn)人機(jī)友好交互，采用適配技術(shù)，具有良好的通用性和可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)為便攜式系統(tǒng)，方便實時對無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行檢測，當(dāng)無人機(jī)出現(xiàn)故障時，快速準(zhǔn)確診斷出結(jié)果，并在報警前給出處理方法，有效避免了無人機(jī)飛行風(fēng)險，在無人機(jī)領(lǐng)域有一定的發(fā)展前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>