面向非线性传感器故障的飞机飞行容错控制系统及方法

1.本发明属于飞行器控制技术领域，涉及一种面向非线性传感器故障的飞机飞行容错控制系统及方法。


背景技术：

2.近年来，无人机技术和传感器技术处于飞速发展的阶段，在目前流行的飞行控制系统中，传感器包括内、外传感器作为飞机的感知单元，是保障飞行控制系统正常运行的重要部分，同时是上层应用的必要支持模块，例如视觉建图与定位，运动规划，障碍识别。同时传感器也是控制系统中发生故障较多的部件。传感器的故障将导致控制系统的误控制，从而造成飞机的损害、人员的受伤和财产的损失。普通自动化系统有四成以上的概率发生传感器误报警，其误报警原因都来自于系统中传感器发生故障而无法提供实时正确的测量数据。针对飞机飞行过程中，由于强气流干扰，接口脱落等原因导致传感器出现的非线性故障，也会导致各种安全事故的发生。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种面向非线性传感器故障的飞机飞行容错控制系统及方法，当飞机传感器出现非线性故障时，依然可以正常平稳的飞行，提高了飞机飞行的可靠性和安全性。
4.第一方面，本发明提供一种面向非线性传感器故障的飞机飞行容错控制方法，包括以下步骤：根据真实飞机状态信息，估计飞机传感器的故障情况发生概率；当故障情况发生概率超过阈值时，判定飞机传感器出现非线性故障情况；更新滑模面参数，进行容错控制，并将控制信息发布于飞机内部的通讯模块。
5.第二方面，本发明提供一种面向非线性传感器故障的飞机飞行容错控制系统，包括：估计模块，用于根据真实飞机状态信息，估计飞机传感器的故障情况发生概率；容错控制模块，用于在故障情况发生概率超过阈值时，判定飞机传感器出现非线性故障情况；更新滑模面参数，进行容错控制，并将控制信息发布于飞机内部的通讯模块。
6.第三方面，本发明提供一种面向非线性传感器故障的飞机飞行容错控制系统，包括：执行器和传感器，所述执行器和传感器将采集得到的飞机状态信息发送给输出端感知模块；输出端感知模块，所述输出端感知模块接收飞机执行器与传感器所采集的信息，并发送至飞机内部的通信模块；估计模块，所述估计模块通过飞机内部的通信模块接收输出端感知模块所发送的信息，并对接收的信息进行处理，发送给飞机内部的通信模块和飞机地面站通信模块；
容错控制模块，所述容错控制模块通过飞机内部的通信模块接收估计模块所发送的状态信息、输出端感知模块所发送的信息和飞机内部的通信模块的期望任务位置信息；输入端调节模块，所述输入端调节模块接收容错控制模块所发送的信息，对执行器进行输入补偿，完成闭环的容错控制，并将所接收的信息发送给飞机地面站通信模块；飞机地面站通信模块，所述飞机地面站通信模块接收估计模块与输入端调节模块的信息，并发送任务指令给飞机内部的通信模块。
7.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过估计模块对执行器和传感器的信息持续进行处理，检测并更新故障发生概率，使用自适应观测器与神经网络对系统中的不准确状态、系统输出受到的未知干扰或噪声进行多次的同时估计。当传感器测量值偏差超过限制时，采用速度、角速度、舵机、油门的滑模闭环控制使得飞机能跟踪飞行控制系统给定的期望值。当传感器未发生故障时，自适应观测器依然能检测传感器的测量结果。本发明能够保证飞机传感器出现非线性故障时，依然可以正常平稳的飞行，拥有稳定的控制量输出，提高了飞机飞行的可靠性、安全性。
附图说明
8.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
9.图1为本发明的面向非线性传感器故障的飞机飞行容错控制系统结构图。
10.图2为本发明的面向非线性传感器故障的飞机飞行容错控制方法流程图。
11.图3为本发明的估计模块工作流程图。
12.图4为本发明的容错控制模块工作流程图。
具体实施方式
13.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
14.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
15.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
16.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的
限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
17.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
18.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“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发明中的具体含义。
19.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：参见图1，本发明实施例公开了一种面向非线性传感器故障的飞机飞行容错控制系统，包括：估计模块：此模块搭载于机载计算机中，通过飞机内部的通信模块，接收来自于输出端感知模块的消息，消息包括机体速度消息、机体角速度信息、舵机转速信息、油门大小消息。使用两层不同的自适应观测器对所接收的消息进行处理，来逼近系统真实准确的状态消息。之后将估计的状态消息发布于飞机内部的通信模块以及飞机地面站通信模块。
20.容错控制模块：此模块搭载于机载计算机中，通过飞机内部的通信模块，接收来自估计模块的状态消息，输出端发布的信息，同时接收任务模块发布在飞机内部的通信模块的期望任务位置信息。使用自适应更新参数的滑模控制器，结合接收的状态信息与期望信息，进行闭环控制，得到安全稳定的飞机执行器输入信息，并将其发布在飞机内部的通信模块中。
21.输出端感知模块：收集飞机执行器与传感器产生的信息：机体速度消息、机体角速度信息、舵机转速信息、油门大小消息。将其发布于飞机内部的通信模块中。
22.输入端调节模块：接收容错控制模块发布的信息，将这些信息作用于飞机执行器进行安全正常的飞行。同时将信息发布于飞机地面站通信模块。
23.飞机内部的通信模块：综合管理容错控制系统的消息，管理飞行控制系统内众多的消息。发布、接收消息必要的模块。
24.飞机地面站通信模块：实现飞机与地面站之间的消息互通，接收估计模块与输入端调节模块所发送的信息。实现信息在地面站的可视化，方便操作人员查看飞机状态与管理飞行任务。同时实现了上传数据库，对自适应观测器进行训练。
25.参见图2，本发明公布了一种面向非线性传感器故障的飞机飞行容错控制方法，包括：地面站通过飞机地面站通信模块向飞机发送开机启动命令，飞机在接收到指令信息后开机，随后向地面站发送应答信号，开启各个机载设备与传感器。然后，进行开机上电
自测试，启动成功则进行下一步，启动失败或电量不足则发送报错信息，给飞机控制系统上锁，不进行飞行。
26.地面站通过飞机地面站通信模块向处于任务区域中的飞机通过数传设备上传任务指令，给定飞行任务，传送给飞机任务区域信息、任务轨迹信息、云台操作信息等，检测并确保飞机地面站通信模块的工作模块的运行。在不进行飞行任务时，上传训练数据给估计模块的基于神经网络的自适应观测器，供其进行学习。
27.当通过上电自测试程序、收到飞行任务指令后，飞机的机载计算机会启动飞机内部的通信模块，用来管理飞机控制系统内部众多的消息，使其他模块可以发布、接收信息。根据任务指令在任务模块中规划任务飞行航路，当飞机处于正常飞行状态即未发生故障时，使用正常的飞行控制系统，容错控制系统不启用，但输出端感知模块会持续获取信息并发布；估计模块也会利用信息持续进行估计，检测并更新故障发生概率。
28.当估计模块确定飞机的传感器出现非线性故障时，将启用容错控制系统，根据获取的信息更新滑膜容错控制器必要的参数，对飞机进行容错控制。
29.容错控制信息由输入端调节模块作用于飞机执行器，对执行器进行输入补偿，完成闭环的容错控制。
30.参见图3，估计模块工作流程，具体如下：接收输出端感知模块采集的飞机执行器信息，使用第一层传统的自适应观测器对真实飞行状态进行模拟逼近，获得第一层次系统状态量；在获得第一层次系统状态量后，使用基于神经网络的第二层自适应观测器对系统进行进一步的模拟逼近，获得第二层次系统状态量；使用第二层次系统状态量与当前的状态进行对比，估计故障情况发生概率；当故障发生概率超过阈值时，从正常的飞行控制系统切换到飞行容错控制系统，根据故障的情况对速度、舵机、油门的滑膜闭环控制输入端进行补偿；所述第二层次系统状态量的还原度高于第一层次系统状态量。
31.参见图4，容错控制模块工作流程，具体如下：通过自适应机制，在飞机传感器出现非线性故障情况下，估计模块发布第二层次系统状态量估计状态，更新滑模面参数，并且对输出端感知模块进行参数补偿，补正因为传感器非线性故障产生的参数偏差；在更新滑模面参数后，接收任务模块和输出端感知模块发布的任务信息，使用滑模控制器进行容错控制，并将控制信息发布于飞机内部的通信模块；输入端调节模块根据控制信息对飞机执行器输入端进行调节，完成容错控制。
32.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。