一種無人機(jī)故障監(jiān)控裝置和方法

張輝 劉政達(dá)

摘要：根據(jù)對無人機(jī)的相關(guān)研究，提出并設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)故障監(jiān)控裝置和方法，旨在增強(qiáng)無人機(jī)的自主性，并簡化操作。采取理論和設(shè)計(jì)實(shí)踐相結(jié)合的方式，提出了一種基于色燈故障顯示和實(shí)時(shí)空間定位的無人機(jī)故障監(jiān)控設(shè)計(jì)。其次，描述了這一設(shè)計(jì)的具體操作方案，同時(shí)展示了其具體應(yīng)用的意義。以期為今后在特殊環(huán)境應(yīng)用方面提供新的道路和可能性。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；故障檢測；空間坐標(biāo)

近年來，隨著現(xiàn)代飛行器控制技術(shù)的日益發(fā)展，各種各樣的飛行器逐漸呈現(xiàn)出很高的自主性。其中無人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）的應(yīng)用場景不斷增加，應(yīng)用形式從單架飛機(jī)轉(zhuǎn)向了多無人機(jī)[1]。無人機(jī)的靈活性和穩(wěn)定性強(qiáng)，活動(dòng)范圍大且執(zhí)行任務(wù)效率高，可以勝任物流運(yùn)輸、戰(zhàn)場偵察和打擊等軍事或民用領(lǐng)域的任務(wù)。通常采用編隊(duì)飛行的方式來執(zhí)行這些復(fù)雜任務(wù)，因此針對多無人機(jī)編隊(duì)問題展開研究具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。然而，在面臨著低空近地、紊亂風(fēng)場、系統(tǒng)可靠性等一些常見且主要的問題時(shí)，無人機(jī)無法完全實(shí)現(xiàn)真正的自主。通過無人機(jī)的自主調(diào)試，存在墜機(jī)、操控失靈、系統(tǒng)故障等一系列潛在風(fēng)險(xiǎn)。無人機(jī)自治飛行面臨著不可忽視的挑戰(zhàn)[2]。因此，針對該問題，本文提出了一種無人機(jī)故障控制和監(jiān)控裝置，應(yīng)用漸變燈色來靈活地控制和監(jiān)控故障，以增強(qiáng)無人機(jī)的自主性和簡化操作。這將提高無人機(jī)的自主性，使無人機(jī)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，對無人機(jī)在飛行控制系統(tǒng)的研究具有重大意義[3]。

一、無人機(jī)故障控制和監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)

（一）裝置設(shè)計(jì)介紹

本文研究無人機(jī)故障和監(jiān)控問題。提出并設(shè)計(jì)了一種新型無人機(jī)故障控制和監(jiān)控裝置，以及故障顯示方法。該裝置包括外殼、蜂鳴器、警示燈、處理模塊和存儲(chǔ)模塊，這些設(shè)備都放置在外殼內(nèi)。蜂鳴器、警示燈與處理模塊相連，而外殼上還有一個(gè)Type-c接口，用于獲取和監(jiān)控?zé)o人機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息。蜂鳴器的作用是在檢測到故障時(shí)，發(fā)出鳴叫以提醒地面工作人員。警示燈則通過改變顏色和閃爍的方式提示故障原因，包括飛行時(shí)的滾動(dòng)角，偏航角和俯仰角、巡航狀態(tài)、飛行速度和高度。出現(xiàn)不正常狀態(tài)時(shí)警示燈都會(huì)提示，輕度故障時(shí)色燈顯示為綠色，中度故障時(shí)色燈顯示為黃色，重度故障時(shí)色燈顯示為紅色。處理模塊負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，例如計(jì)算滾動(dòng)角、偏航角和俯仰角，并與預(yù)設(shè)信息進(jìn)行對比。它還能將告警信息反饋給操作人員的控制設(shè)備，并顯示故障或警告信息。此外，處理模塊還能夠讀取無人機(jī)編隊(duì)的隊(duì)形、位置和路徑數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)預(yù)設(shè)信息和飛行狀態(tài)信息等。

（二）無人機(jī)運(yùn)用

無人機(jī)運(yùn)行時(shí)的俯仰角α和偏航角θ在預(yù)設(shè)數(shù)值范圍內(nèi)時(shí)，處理模塊判定無人機(jī)狀態(tài)正常，飛行正常；當(dāng)無人機(jī)運(yùn)行時(shí)的偏航角θ和俯仰角β超出預(yù)設(shè)數(shù)值范圍時(shí)，處理模塊指示色燈運(yùn)行告警，但不觸發(fā)蜂鳴器警告，以提示無人機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速異常，需要根據(jù)數(shù)值進(jìn)行處理，屬于輕度故障；當(dāng)無人機(jī)運(yùn)行時(shí)的上升速度超出預(yù)設(shè)俯仰角數(shù)值范圍時(shí)，處理模塊發(fā)出指示色燈運(yùn)行告警和蜂鳴器警告，以提示無人升力異常，需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果提升或減少升力，屬于中度故障；監(jiān)測到滾動(dòng)角α超出預(yù)設(shè)俯仰角數(shù)值范圍時(shí)，處理模塊發(fā)出指示色燈運(yùn)行告警和蜂鳴器警告，以提示無人機(jī)結(jié)構(gòu)異常，屬于重度故障，需要進(jìn)行人工核實(shí)和修理；若處理后偏航角θ和俯仰角β依舊超出預(yù)設(shè)角度，則同時(shí)發(fā)出指示色燈運(yùn)行告警和蜂鳴器警告，無人機(jī)將偏離預(yù)設(shè)航線，需要操作人員對無人機(jī)進(jìn)行干預(yù)，屬于重度故障。

當(dāng)X，Y，Z超過預(yù)設(shè)信息的中的X0、Y0、Z0時(shí)，立即根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整飛行參數(shù)，并重新與預(yù)設(shè)軌道比較，如無法返回到預(yù)設(shè)軌道，則視為中度故障。

二、色燈故障顯示方法和裝置的具體方案

（一）檢測單個(gè)無人機(jī)飛行狀態(tài)

無人機(jī)故障檢測裝置需要兩個(gè)模塊。分別為處理模塊和存儲(chǔ)模塊。處理模塊用于數(shù)據(jù)處理，存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)信息[4]。

獲取單個(gè)無人機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息包括無人機(jī)飛行時(shí)的滾動(dòng)角、偏航角和俯仰角，還可以包括巡航飛行狀態(tài)、飛行速度、飛行高度等無人機(jī)運(yùn)行參數(shù)信息。此處預(yù)設(shè)信息有無人機(jī)的運(yùn)行時(shí)的滾動(dòng)角、偏航角和俯仰角的正常數(shù)值范圍。

處理模塊實(shí)時(shí)地將計(jì)算出的滾動(dòng)角、偏航角和俯仰角與預(yù)設(shè)信息進(jìn)行對比分析。當(dāng)無人機(jī)運(yùn)行時(shí)的俯仰角α在預(yù)設(shè)俯仰角數(shù)值范圍內(nèi)時(shí)，處理模塊判定無人機(jī)為正常狀態(tài)，無人機(jī)飛行正常。

當(dāng)監(jiān)測到滾動(dòng)角α超出預(yù)設(shè)俯仰角數(shù)值范圍時(shí)，處理模塊指示色燈運(yùn)行告警以及蜂鳴器警告，提示無人機(jī)結(jié)構(gòu)異常，屬于重度故障，需要人工核實(shí)修理。

當(dāng)無人機(jī)運(yùn)行時(shí)偏航角θ在預(yù)設(shè)俯仰角數(shù)值范圍內(nèi)時(shí)，處理模塊判定無人機(jī)為正常狀態(tài)，表示無人機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速正常運(yùn)行。

當(dāng)無人機(jī)運(yùn)行時(shí)的偏航角θ超出預(yù)設(shè)俯仰角數(shù)值范圍時(shí)，處理模塊指示色燈運(yùn)行告警但不進(jìn)行蜂鳴器警告，提示無人機(jī)旋翼轉(zhuǎn)速異常，需要根據(jù)數(shù)值進(jìn)行處理，屬于輕度故障。

若處理后偏航角θ依舊超出預(yù)設(shè)角度，則同時(shí)進(jìn)行色燈運(yùn)行告警和蜂鳴器警告，無人機(jī)將遠(yuǎn)離預(yù)設(shè)航線，需要操作人員對無人機(jī)進(jìn)行人工干預(yù)，屬于重度故障。

當(dāng)無人機(jī)運(yùn)行時(shí)的俯仰角β超出預(yù)設(shè)俯仰角數(shù)值范圍時(shí)，處理模塊指示色燈運(yùn)行告警但不進(jìn)行蜂鳴器警告，提示無人機(jī)轉(zhuǎn)速不平衡，需要根據(jù)數(shù)值進(jìn)行加速處理，屬于輕度故障。

若處理后俯仰角β依舊超出預(yù)設(shè)角度，則同時(shí)進(jìn)行色燈運(yùn)行告警和蜂鳴器警告，無人機(jī)將遠(yuǎn)離預(yù)設(shè)航線，需要操作人員對無人機(jī)進(jìn)行人工干預(yù)，屬于重度故障。

當(dāng)無人機(jī)運(yùn)行時(shí)的上升速度超出預(yù)設(shè)俯仰角數(shù)值范圍時(shí)，處理模塊指示色燈運(yùn)行告警以及蜂鳴器警告，以提示無人機(jī)升力異常，需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果提升或減少升力，屬于中度故障。

處理模塊還用于將告警信息反饋至操作人員的控制設(shè)備，外部設(shè)備顯示故障或警告信息。通過人工校驗(yàn)告警信息提示的無人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是否正常，當(dāng)校驗(yàn)無人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)為正常時(shí)，結(jié)束告警，并且處理模塊根據(jù)無人機(jī)運(yùn)行狀態(tài)更新存儲(chǔ)模塊中的預(yù)設(shè)信息。

以上為無人機(jī)個(gè)體檢測流程，具體請見下方流程圖。

（二）無人機(jī)列陣故障監(jiān)控與告警方法

該告警裝置具體如下：

其中外殼包括Type-c接口1、聲音傳出小孔2、警示燈3、外殼4。參見圖5：外殼內(nèi)包括處理模塊2、存儲(chǔ)模塊3、蜂鳴器4。

外殼包括type-c接口，可以獲取并監(jiān)控?zé)o人機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息。同時(shí)，外殼內(nèi)還放置了蜂鳴器、警示燈、處理模塊和存儲(chǔ)模塊。蜂鳴器和色燈與處理模塊相連。

處理模塊用于接收運(yùn)行狀態(tài)信息，并在該信息與存儲(chǔ)模塊中的預(yù)設(shè)信息不符合時(shí)，通過蜂鳴器和色燈進(jìn)行告警。

通過故障報(bào)警監(jiān)測，本裝置可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

處理模塊讀取無人機(jī)編隊(duì)的隊(duì)形、位置和路徑數(shù)據(jù)；

根據(jù)獲取的隊(duì)形和數(shù)據(jù)分析，確定無人機(jī)的路徑、位置以及尺寸、物理邊界等相關(guān)參數(shù)，并記錄飛行中的空間邊界Xmax ，Xmin ，Ymax ，Ymin ，Zmax ，Zmin[5]；

根據(jù)記錄的飛行空間邊界，獲得無人機(jī)的路徑狀態(tài)；

當(dāng)Xmax、Ymax、Zmax，超過預(yù)設(shè)信息的中的Xmax0時(shí)，立即根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整飛行參數(shù)，并重新與預(yù)設(shè)軌道進(jìn)行比較。如果仍無法返回到預(yù)設(shè)軌道，則視為中度故障；

當(dāng)Xmin、Ymin、Zmin超過預(yù)設(shè)信息的中的Xmax0時(shí)，立即根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整飛行參數(shù)，并重新與預(yù)設(shè)軌道進(jìn)行比較。如果仍無法返回到預(yù)設(shè)軌道，則視為中度故障；

自此無人機(jī)檢測完畢。

（三）色燈故障顯示方法

基于得到的參數(shù)測量結(jié)果及步驟，根據(jù)不同的故障情況，計(jì)算編隊(duì)中設(shè)備的燈效顏色以及蜂鳴器的運(yùn)行；

在輕度故障時(shí)，設(shè)備色燈顯示為綠色，蜂鳴器不運(yùn)行；

在中度故障時(shí)，設(shè)備色燈顯示為黃色，蜂鳴器同時(shí)運(yùn)行，警示操作人員，可能需要進(jìn)行處理；

在重度故障時(shí)，設(shè)備色燈顯示為紅色，蜂鳴器同時(shí)運(yùn)行，提示無人機(jī)結(jié)構(gòu)存在問題，需要操作人員進(jìn)行檢修。

三、色燈故障分析及監(jiān)測裝置的應(yīng)用意義

（一）環(huán)境適應(yīng)性加強(qiáng)

通過燈色的靈活來及時(shí)反映無人機(jī)的故障程度，更好地提高了處理復(fù)雜無人機(jī)問題的能力，進(jìn)一步增強(qiáng)了無人機(jī)飛行狀態(tài)的穩(wěn)定性，提升了無人機(jī)飛行的安全性[6]。相比于現(xiàn)有的紅外熱成像故障診斷技術(shù)，該設(shè)備最大限度地避免了在特殊天氣工作過程中由于暴雨、低溫等外界不良因素的影響而導(dǎo)致信息收集失誤，能夠更好地適應(yīng)環(huán)境變化。

（二）自主決策性提高

無人機(jī)進(jìn)行自主檢測和報(bào)警，可以快速排除故障，使其能夠及時(shí)安全地投入工作。相較于普通無人機(jī)，它最大程度上提高了人工決策的準(zhǔn)確性和高效性，進(jìn)一步降低了不必要的資源浪費(fèi)。

（三）智能便利性的優(yōu)化

通過分析傳回的數(shù)據(jù)，優(yōu)化無人機(jī)的飛行路徑，可以極大程度地降低無人機(jī)的飛行故障率。這樣可以推動(dòng)無人機(jī)的智能化和便利化[7]。

四、結(jié)束語

隨著無人機(jī)的使用推廣和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，無人機(jī)故障檢測和飛行方面存在一些缺陷，可能埋下潛在隱患。因此，本文采用空間定位方法進(jìn)行故障類型診斷，并基于色燈變化進(jìn)行故障顯示。本章首先介紹無人機(jī)飛行的基本理論，分析其局限性，然后總結(jié)一些常用的優(yōu)化方法，為無人機(jī)飛行的故障定位和分析提供參考。同時(shí)，隨著無人機(jī)的推廣和規(guī)模的擴(kuò)大，無人機(jī)故障檢測和飛行中可能存在一些缺失，這可能會(huì)埋下潛在的隱患。因此，本文提出了使用空間定位來進(jìn)行無人機(jī)故障類型診斷和基于色燈變化來進(jìn)行故障顯示的方法。本章首先介紹了無人機(jī)飛行的基本理論，分析了其局限性，并針對這些局限性總結(jié)了一些常用的優(yōu)化方法，為無人機(jī)飛行的故障定位和分析提供參考。

作者單位：張輝 劉政達(dá) 無錫學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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