一种冗余惯性测量系统故障检测装置及检测方法与流程

1.本发明涉及惯性测量技术领域，具体涉及一种冗余惯性测量系统故障检测装置及检测方法。


背景技术：

2.近年来，惯性测量组合逐渐成为飞行器、火箭等领域等高精度领域的核心设备，通常由陀螺、加速度计及相关处理电路组成，具备实时测量运载火箭沿三个箭体轴的视加速度以及绕箭体轴的角速度，将测量结果输出给箭载计算机进行导航与姿态计算，实现对运载火箭的制导和稳定控制。
3.在实际使用中，受惯性器件生产工艺水平的限制，为了提高飞行可靠性，通常采用冗余设计，冗余方法就是当某个传感器发生故障时，用来判定有传感器失效并准确找出这个失效的传感器，同时从正常的传感器输出中获取正确的信息的设计，通常采用多表惯组或多惯组等冗余方式。相应的，冗余惯性测量组合的故障判断就变成了冗余系统的关键问题。
4.在目前现有专利及论文中，冗余惯组故障的判断主要有两类方法：直接比较测量法和基于统计特性的极大似然估计法，现有的论文或专利多是基于上述两类方法进行完善。然而，在实际工程应用之中，上述两种方式或者是检测场景受限、或者是模型不准确造成检测效果不理想。
5.上述的冗余故障检测方法都是在传统箭载计算机算力有限的背景下产生的。随着高性能计算机及可编程逻辑器件等硬件加速方法的成熟，这给故障检测带来充分的可行性。西北工业大学陈凯等人的《一种基于并行导航解算的冗余捷联惯组故障检测方法》结合奇偶向量和并行计算等进行故障检测，但仍然存在故障检测度低等情况。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的缺陷，本发明第一方面提供一种冗余惯性测量系统故障检测方法，以解决相关技术中检测率低且检测花费时间过长的问题。
7.为达到以上目的，本发明提供了一种冗余惯性测量系统故障检测装置及检测方法，其包括以下步骤：
8.获取惯性测量系统输出的脉冲数据，所述惯性测量系统包括至少五个测量装置，其中三个处于正交位置，至少两个测量装置斜置设置；
9.将所有测量装置中的任意三个测量装置的脉冲数据进行组合生成初始脉冲组合序列，对所述初始脉冲组合序列中每一个组合进行计算后得到第一脉冲数据序列；
10.将所述第一脉冲数据序列的脉冲数据按x,y,z三个轴方向进行筛选，得到第二脉冲数据组合序列；
11.根据预先设定的阈值对所述第二脉冲数据组合序列进行筛选，得到x轴脉冲数据组合、y轴脉冲数据组合以及z轴脉冲数据组合；
12.对所述x轴脉冲数据组合、y轴脉冲数据组合以及z轴脉冲数据组合取交集得到第四脉冲数据组合序列；
13.位于所述第四脉冲数据组合序列na之外的输出数据均为故障测量装置的输出数据。
14.一些实施例中，所述根据预先设定的阈值对所述第二脉冲数据组合序列进行筛选，得到x轴脉冲数据组合、y轴脉冲数据组合以及z轴脉冲数据组合，包括：
15.根据预先设定的阈值ε分别对所述第二脉冲数据组合序列b中位于x轴、y轴、z轴三个方向上的数据进行筛选，得到第三脉冲数据组合序列c，所述第三脉冲数据组合序列c中每一个脉冲数据组合的最大值与最小值的差值均小于预设的阈值ε；
16.对所述第三脉冲数据组合序列c进行筛选，得到x轴脉冲数据组合n(m)、y轴脉冲数据组合n(j)以及z轴脉冲数据组合n(k)。
17.一些实施例中，：所述x轴脉冲数据组合n(m)为x轴方向上包含脉冲数据最多的组合，所述y轴脉冲数据组合n(j)为y轴方向上包含脉冲数据最多的组合，所述z轴脉冲数据组合n(k)为z轴方向上包含脉冲数据最多的组合。
18.一些实施例中，所述测量装置包括六个加速度计，其中三个处于正交位置，剩余三个斜置设置；
19.所述脉冲数据为加速度值，加速度值acc的输出模型如下所示：
20.n/k1＝k0 k
xyz
acc
21.其中，为六个加速度计安装误差矩阵；
22.n为六个加速度计输出脉冲数；
23.k0为六个加速度计零位；
24.k1为六个加速度计当量。
25.一些实施例中，所述获取惯性测量装置输出的脉冲数据，所述惯性测量系统包括六个测量装置，其中三个处于正交位置，剩余三个斜置设置，包括：
26.所述惯性测量装置包括六个陀螺仪，其中三个处于正交位置，剩余三个斜置设置；
27.所述脉冲数据为角速度矢量，其输出模型为：
28.n/e1＝d0 e
axyz
ω
29.其中，为六个陀螺仪安装误差矩阵；
30.n为六个陀螺仪输出脉冲数；
31.e1为陀螺仪当量；
32.d0为陀螺计零位；
33.ω为待计算的角速度矢量。
34.一些实施例中，所述分别按x,y,z轴方向上的脉冲数据对所述第一脉冲数据序列a排序，得到第二脉冲数据组合序列b，包括：
35.按照x,y,z轴方向上脉冲数据的大小对所述第一脉冲数据序列a进行排序，得到第二脉冲数据组合序列b，所述每组第一脉冲数据组合序列对应一个轴向方向。
36.一些实施例中，所述分别按x,y,z轴方向上的速度值对所述第一脉冲数据序列a排序，得到共三组第二脉冲数据组合序列b，包括：
37.按照x,y,z轴方向上脉冲数据的从大到小对所述一脉冲数据序列a进行排序，得到共三组的第二脉冲数据组合序列b，所述每组第二脉冲数据组合序列b对应一个轴向方向。
38.另一方面本发明还提供一种冗余惯性测量系统故障检测装置，其包括：
39.测量模块，其用于获取惯性测量系统输出的脉冲数据，所述惯性测量系统包括至少五个测量装置，其中三个处于正交位置，至少两个测量装置斜置设置；
40.组合模块,其用于将所有测量装置中的任意三个测量装置的脉冲数据进行组合生成初始脉冲组合序列，对所述初始脉冲组合序列中每一个组合进行计算后得到第一脉冲数据序列；
41.筛选模块,其用于将所述第一脉冲数据序列的脉冲数据按x,y,z三个轴方向进行筛选，得到第二脉冲数据组合序列，根据预先设定的阈值对所述第二脉冲数据组合序列进行筛选，得到x轴脉冲数据组合、y轴脉冲数据组合以及z轴脉冲数据组合，对所述x轴脉冲数据组合、y轴脉冲数据组合以及z轴脉冲数据组合取交集得到第四脉冲数据组合序列；位于所述第四脉冲数据组合序列na之外的输出数据均为故障测量装置的输出数据
42.一些实施例中，所述筛选模块可用于根据预先设定的阈值ε分别对所述第二脉冲数据组合序列b中位于x轴、y轴、z轴三个方向上的数据进行筛选，得到第三脉冲数据组合序列c，所述第三脉冲数据组合序列c中每一个脉冲数据组合的最大值与最小值的差值均小于预设的阈值ε。
43.一些实施例中，所述筛选模块可用于按照x,y,z轴方向上脉冲数据的大小对所述第一脉冲数据序列a进行排序，得到第二脉冲数据组合序列b，所述每组第一脉冲数据组合序列对应一个轴向方向。
44.相比现有技术，本发明具有以下优点：
45.(1)本发明提出的故障检测方法简单易执行，不存在模型不当带来的检测效果不
理想等情况；
46.(2)本发明提出的故障检测方法故障检测率高，三正交三斜置惯组可以实现三度故障检测，三正交两斜置惯组可以实现两度故障检测；
47.(3)本发明提出的方法中组合序列的计算可以采用硬件加速方式，有效减少计算时间。
附图说明
48.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，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。
49.图1为本发明实施例提供的惯性测量冗余系统故障检测方法流程图；
50.图2为本发明实施例提供的三正交三斜置惯组的加速度计示意图。
具体实施方式
51.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
52.本发明提供一种冗余惯性测量系统的故障检测方法，其包括以下步骤：获取惯性测量系统输出的脉冲数据，所述惯性测量系统包括至少五个测量装置，其中三个处于正交位置，至少两个测量装置斜置设置；将所有测量装置中的任意三个测量装置的脉冲数据进行组合生成初始脉冲组合序列，对所述初始脉冲组合序列中每一个组合进行计算后得到第一脉冲数据序列；将所述第一脉冲数据序列的脉冲数据按x,y,z三个轴方向进行筛选，得到第二脉冲数据组合序列；根据预先设定的阈值对所述第二脉冲数据组合序列进行筛选，得到x轴脉冲数据组合、y轴脉冲数据组合以及z轴脉冲数据组合；对所述x轴脉冲数据组合、y轴脉冲数据组合以及z轴脉冲数据组合取交集得到第四脉冲数据组合序列；位于所述第四脉冲数据组合序列na之外的输出数据均为故障测量装置的输出数据。
53.本发明还提供一种该方法的具体实施例，包括以下步骤：
54.s1.获取惯性测量系统输出的脉冲数据，所述惯性测量系统包括六个测量装置，其中三个处于正交位置，剩余三个斜置设置。
55.具体地，上述惯性测量装置可以包括：六个加速度计，其中三个处于正交位置，剩余三个斜置设置。所述脉冲数据为加速度值，其输出模型如下所示：
56.n/k1＝k0 k
xyz
acc
57.其中，为六个加速度计安装误差；
58.n为六个加速度计输出脉冲数；k0为六个加速度计零位；k1为六个加速度计当量；acc为待计算的三轴向加速度值。
59.优选的，上述加速度计安装误差k
xyz
中的前三行分别对应着三个正交的轴x1,y1,z1，后三行分别对应着三个斜置的轴x2,y2,z2。
60.进一步的，上述惯性测量装置可以包括：六个陀螺仪，六个陀螺仪可被设置为其中三个处于正交位置，剩余三个斜置设置。所述脉冲数据为角速度矢量，其输出模型如下所示：
61.n/e1＝d0 e
axyz
ω
62.其中，为六个陀螺仪安装误差矩阵；
63.n为六个陀螺仪输出脉冲数；e1为陀螺仪当量；d0为陀螺仪零位；ω为待计算的角速度矢量。
64.优选地，上述加速度计安装误差e
xyz
中的前三行分别对应着三个正交的轴x1,y1,z1，后三行分别对应着三个斜置的轴x2,y2,z2。
65.可以理解的是，冗余惯性测量系统也可以同时加装六个加速度计和六个陀螺仪，使用两种数据进行故障判断。
66.s2.将任意三个测量装置的脉冲数据进行组合生成初始脉冲组合序列，对所述初始脉冲组合序列中每一个组合进行计算后得到第一脉冲数据序列a。
67.当六个测量装置存在三度及以下故障情况下,为对故障进行有效隔离，会在六个测量装置的脉冲数据任选3个进行组合，组合起来共有种组合，该20种组合的序列就是初始脉冲组合序列，其包括n＝{n
x1
n
y1
n
z1
、n
x1
n
y1
n
x2
、
……
、n
x2
n
y2
n
z2
}；以测量装置为加速度计为例子，首先利用该初始脉冲组合序列计算视加速度值：
68.以n
x1
n
y1
n
x2
}这一脉冲数据组合为例，该组数据的视加速度值为：
69.将初始脉冲组合序列的20种组合皆以上述计算方法求得每种组合的视加速值，最后将其集合起来生成第一脉冲数据序列a：
70.a＝{a
x1
a
y1
a
z1
、a
x2
a
y2
a
z2
、
……
、a
x20
a
y20
a
z20
}
71.s3.分别按x,y,z轴方向上的速度值对所述第一脉冲数据序列a排序，得到第二脉冲数据组合序列b。
72.具体地，按照x,y,z轴方向上脉冲数据的大小对所述第一脉冲数据序列a进行排序，得到第二脉冲数据组合序列b，所述每组第一脉冲数据组合序列对应一个轴向方向。
73.优选地，按照x,y,z轴方向上脉冲数据的从大到小对所述一脉冲数据序列a进行排序，得到共三组的第二脉冲数据组合序列b，所述每组第二脉冲数据组合序列b对应一个轴向方向。当然排序方式也可以选择从小到大进行排序。
74.s4.根据预先设定的阈值ε对所述第二脉冲数据组合序列b进行筛选，得到x轴脉冲数据组合n(m)、y轴脉冲数据组合n(j)以及z轴脉冲数据组合n(k)；
75.具体的，步骤s4包括：根据预先设定的阈值ε分别对三个轴向的所述第二脉冲数据组合序列b进行筛选，得到第三脉冲数据组合序列c，所述第三脉冲数据组合序列c中每一个脉冲数据组合的最大值与最小值的差值均小于预设的阈值ε；
76.值得说明的是，阈值ε是通过大量仿真试验，得到的一个最优估计值。仿真是指对正常运转的系统，注入预先设计的不同故障模式，经过多次仿真得到正常系统的输出数据区间。
77.进一步地，对所述第三脉冲数据组合序列c进行筛选，得到x轴脉冲数据组合n(m)、y轴脉冲数据组合n(j)以及z轴脉冲数据组合n(k)。其中x轴脉冲数据组合n(m)为x轴方向上包含脉冲数据最多的组合，所述y轴脉冲数据组合n(j)为y轴方向上包含脉冲数据最多的组合，所述z轴脉冲数据组合n(k)为z轴方向上包含脉冲数据最多的组合。
78.s5.对所述x轴脉冲数据组合n(m)、y轴脉冲数据组合n(j)以及z轴脉冲数据组合n(k)取交集得到第四脉冲数据组合序列na，所述第四脉冲数据组合序列na内的输出数据均为工作正常测量装置的输出数据，不在所述第四脉冲数据组合序列na内的输出数据均为故障测量装置的输出数据。
79.具体的，上述取交集的计算公式为：
80.na＝n(m)∩n(j)∩n(k)
81.值得说明的是，上述提到的冗余惯性测量系统中测量装置以三正交三斜置来设置，可以对三度及以下的故障进行检测。三度是指测量装置故障的个数，比如有两个陀螺仪损坏就是两度故障，有三个陀螺仪损坏就是三度故障。实际工作中也可以将冗余惯性测量系统的测量装置配置为三正交两斜置，此时冗余惯性测量系统可以对两度及以下的故障进行检测和判断。三正交两斜置的冗余惯性测量系统的故障检测方法与三正交三斜置一样。
82.可以理解的是，本发明实施例故障检测方法中的算法是可以并行计算，也就是多个组合可以同时计算。因此可以采用fpga(field programmable gate array)这样的器件进行同时计算，而不被限制只能使用dsp(数字信号处理器)这样的串行计算。本技术实施例的方案可以通过硬件上的改变对计算过程进行加速，有效减少了计算时间。
83.另一方面，本发明还提供一种冗余惯性测量系统故障检测装置，其包括：
84.测量模块，其用于获取惯性测量系统输出的脉冲数据，所述惯性测量系统包括至
少五个测量装置，其中三个处于正交位置，至少两个测量装置斜置设置；
85.组合模块,其用于将所有测量装置中的任意三个测量装置的脉冲数据进行组合生成初始脉冲组合序列，对所述初始脉冲组合序列中每一个组合进行计算后得到第一脉冲数据序列；
86.筛选模块,其用于将所述第一脉冲数据序列的脉冲数据按x,y,z三个轴方向进行筛选，得到第二脉冲数据组合序列，根据预先设定的阈值对所述第二脉冲数据组合序列进行筛选，得到x轴脉冲数据组合、y轴脉冲数据组合以及z轴脉冲数据组合；对所述x轴脉冲数据组合、y轴脉冲数据组合以及z轴脉冲数据组合取交集得到第四脉冲数据组合序列；位于所述第四脉冲数据组合序列na之外的输出数据均为故障测量装置的输出数据，根据这些故障数据可以找到发生故障的测量装置。
87.值得说明的是，所述筛选模块可用于根据预先设定的阈值ε分别对所述第二脉冲数据组合序列b中位于x轴、y轴、z轴三个方向上的数据进行筛选，得到第三脉冲数据组合序列c，所述第三脉冲数据组合序列c中每一个脉冲数据组合的最大值与最小值的差值均小于预设的阈值ε。
88.可以理解的是，所述筛选模块可用于按照x,y,z轴方向上脉冲数据的大小对所述第一脉冲数据序列a进行排序，得到第二脉冲数据组合序列b，所述每组第一脉冲数据组合序列对应一个轴向方向。
89.综上所述，本发明公开了一种冗余惯性测量系统故障检测方法，其基于枚举排序的检测方法简单易执行，不存在模型不当带来的检测效果不理想等情况。被发明方案中通过配置三正交三斜置惯组可以实现三度故障检测。而也可以配置三正交两斜置惯组可以实现两度故障检测。相较于相关技术提高了故障检测方法的故障检测率。此外，本发明提出的方法中组合序列的计算可以采用硬件加速方式，有效减少计算时间。
90.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
91.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
92.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。