0 引言

    隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)的應(yīng)用范圍越來越廣，續(xù)航時(shí)間和任務(wù)半徑越來越大，并且在執(zhí)行任務(wù)的過程中攜帶的任務(wù)載荷和偵察打擊設(shè)備越來越多，因此保證無人機(jī)在飛行過程中的安全性和可靠性就顯得特別重要。

    舵控系統(tǒng)作為無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其可靠性和安全性直接關(guān)系到無人機(jī)的飛行安全^[1]。早在20世紀(jì)50年代初期，人們就認(rèn)識(shí)到系統(tǒng)的單一通道設(shè)計(jì)不能保證系統(tǒng)功能的可靠實(shí)現(xiàn)，采用多通道設(shè)計(jì)能夠大幅度提高系統(tǒng)的可靠性。由此產(chǎn)生了系統(tǒng)的余度設(shè)計(jì)技術(shù)，并迅速被飛機(jī)操縱系統(tǒng)等采用。余度技術(shù)是提高系統(tǒng)可靠性與安全性的一種有效手段，可以在降低元器件要求的同時(shí)有效地提高系統(tǒng)可靠性^[2]。雙余度舵控系統(tǒng)的基本思想是通過不同余度之間的切換來保證舵控系統(tǒng)的可靠性，因此在這個(gè)過程中就涉及到舵控系統(tǒng)的故障檢測(cè)技術(shù)。

    在舵控系統(tǒng)中角度傳感器的作用是產(chǎn)生一個(gè)與舵面角度等效的電信號(hào)，將測(cè)量到的信號(hào)作為反饋引入到控制系統(tǒng)中，從而形成對(duì)舵控系統(tǒng)的閉環(huán)控制。所以角度傳感器在整個(gè)舵控系統(tǒng)中具有重要的作用。為了防止舵機(jī)角度傳感器故障造成舵控系統(tǒng)無法正常工作，在進(jìn)行雙余度舵控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選用了共軸雙余度電位器作為角度傳感器。在舵機(jī)工作過程中及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出單個(gè)角度傳感器的故障并切換到另一余度，是提高舵控系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。

    目前舵機(jī)故障檢測(cè)常用的方法是根據(jù)電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)建立舵機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，通過對(duì)比舵機(jī)的實(shí)際輸出與參考模型輸出之間的誤差來檢測(cè)舵回路是否發(fā)生故障^[3-6]。針對(duì)雙余度舵控系統(tǒng)工作過程中角度傳感器的故障檢測(cè)技術(shù)，本文提出了基于辨識(shí)參考模型的角度傳感器故障檢測(cè)方法。首先通過系統(tǒng)辨識(shí)的方法辨識(shí)出系統(tǒng)輸出的參考模型，然后比較模型輸出和實(shí)際角度傳感器輸出的殘差變化是否超過閾值來判斷電位器是否發(fā)生故障。

1 雙余度電動(dòng)舵機(jī)整體方案

    無人機(jī)舵控系統(tǒng)可以分為電控部分和機(jī)械部分，機(jī)械部分通常情況下不會(huì)發(fā)生突發(fā)性故障，而是隨著工作時(shí)間的增加逐漸出現(xiàn)性能下降、疲勞斷裂等故障；電控部分由控制電路、無刷直流電機(jī)和角度傳感器3部分組成，電機(jī)和角度傳感器在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)突發(fā)性故障，控制電路由于元器件的損壞或故障也可能出現(xiàn)突發(fā)性故障。結(jié)合舵控系統(tǒng)電控部分和機(jī)械部分的故障性質(zhì)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了雙余度舵控系統(tǒng)，整體方案如圖1所示。

    無刷直流電機(jī)、電位器和控制電路采用雙余度設(shè)計(jì)，共用一套傳動(dòng)和減速機(jī)構(gòu)。其中電機(jī)采用并聯(lián)式雙繞組無刷直流電機(jī)，每個(gè)繞組有一套獨(dú)立的霍爾位置傳感器，可保證電機(jī)獨(dú)立工作。控制電路采用兩套獨(dú)立的控制系統(tǒng)，正常工作時(shí)，兩套控制系統(tǒng)分別驅(qū)動(dòng)雙繞組無刷直流電機(jī)工作在熱備份狀態(tài)，當(dāng)一個(gè)繞組出現(xiàn)故障時(shí)，從控制系統(tǒng)中切除，用另一個(gè)繞組工作^[7]。

    角度傳感器采用共軸雙聯(lián)電位器，每聯(lián)可以獨(dú)立工作。每套控制電路分別采集角度傳感器兩個(gè)余度的信號(hào)，但是為了保證控制的一致性，在實(shí)際控制時(shí)兩套控制電路以其中一路角度傳感器信號(hào)作為反饋，當(dāng)該路信號(hào)出現(xiàn)故障時(shí)切換到另一路角度傳感器信號(hào)。正常工作時(shí)，兩路角度傳感器輸出相同的反饋信息，當(dāng)兩路角度傳感器輸出信息不一致時(shí)，可以判斷有一路電位器出現(xiàn)故障，但是無法判斷哪路出現(xiàn)故障。因此要準(zhǔn)確地判斷角度傳感器故障僅靠角度傳感器自身是不夠的，需要增加其他的判斷依據(jù)。本文提出了基于辨識(shí)參考模型的無人機(jī)雙余度電動(dòng)舵機(jī)角度傳感器故障檢測(cè)方法。主要思想是通過兩路角度傳感器輸出的差值判斷角度傳感器是否存在故障，然后通過參考模型確定哪一路出現(xiàn)故障，從而保證舵控系統(tǒng)可以得到準(zhǔn)確的角度反饋信號(hào)。

2 參考模型建立

    通過機(jī)理分析和理論推導(dǎo)的方式可以獲得舵控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，模型參數(shù)可以通過測(cè)量或系統(tǒng)辨識(shí)的方法獲取[8]。由于模型中有些參數(shù)很難準(zhǔn)確地測(cè)量獲得，因此本文首先采用機(jī)理分析的方法推導(dǎo)得到舵控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后通過系統(tǒng)辨識(shí)的方法確定模型的參數(shù)。

2.1 模型推導(dǎo)

    舵機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，主要由電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和位置傳感器組成。

    根據(jù)基爾霍夫定律可以得到電壓平衡方程為：

    由于此舵機(jī)中選用的無刷直流電機(jī)電感很小，接近于零，因此為了減小參數(shù)辨識(shí)的計(jì)算量和降低傳遞函數(shù)的復(fù)雜性，忽略電感的影響，將舵機(jī)的閉環(huán)傳遞函數(shù)等效為二階系統(tǒng)。

2.2 模型參數(shù)辨識(shí)

    本文研究的無人機(jī)舵控系統(tǒng)，以控制和反饋信號(hào)為模擬信號(hào)，范圍為±10 V，對(duì)應(yīng)±30°，頻帶范圍為4 Hz。為了準(zhǔn)確地辨識(shí)系統(tǒng)模型的參數(shù)，在選擇輸入激勵(lì)信號(hào)時(shí)要求可以充分激發(fā)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。在系統(tǒng)辨識(shí)中白噪聲是理想的輸入信號(hào)，因此根據(jù)此舵控系統(tǒng)的帶寬和輸入輸出工作范圍，選擇帶寬為5 Hz、幅值為2 V的白噪聲信號(hào)，利用Keysight 信號(hào)發(fā)生器的任意波功能產(chǎn)生。

    由于舵控系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)均為模擬信號(hào)，因此利用泰克示波器的數(shù)據(jù)采集功能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣周期為1 kHz。為了減小干擾和野值對(duì)辨識(shí)結(jié)果的影響，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾波和剔除野值處理。

    將處理好的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB系統(tǒng)辨識(shí)工具箱，利用2.1推導(dǎo)的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行辨識(shí)參數(shù)，得到系統(tǒng)的輸入輸出模型為：

    由于實(shí)際舵控系統(tǒng)的輸入能量是有限的，因此舵回路內(nèi)存在速率飽和的非線性特性，若直接對(duì)舵控系統(tǒng)的位置輸入輸出進(jìn)行線性動(dòng)力學(xué)建模，則當(dāng)位置給定較大時(shí)，舵機(jī)在動(dòng)態(tài)過程中的實(shí)際輸出會(huì)因速率飽和而與系統(tǒng)模型輸出具有較大的誤差^[9]。圖3左邊的曲線為輸入角度較大時(shí)，由于速率飽和特性限制導(dǎo)致模型輸出和舵機(jī)實(shí)際輸出相差較大。

    為了解決速率飽和特性導(dǎo)致實(shí)際輸出和模型輸出不一致的問題，在辨識(shí)出的舵控系統(tǒng)模型中加入速率飽和限制。速率飽和限制的表達(dá)式如下：

    將位置限幅加入到辨識(shí)模型中，可以解決速率飽和特性造成的偏差。圖3右側(cè)為加入位置限幅后舵機(jī)實(shí)際輸出和模型輸出曲線，可以看出此種方法可以較好地解決由于速率飽和造成的偏差。

    為了驗(yàn)證辨識(shí)模型在加載情況下的準(zhǔn)確性，給舵控系統(tǒng)施加隨機(jī)的彈性力矩，然后對(duì)比舵機(jī)實(shí)際輸出和模型輸出。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，給舵機(jī)施加±10 N·m的外部力矩干擾，辨識(shí)出的系統(tǒng)模型仍然可以較好地反映實(shí)際舵控系統(tǒng)的輸出。因此辨識(shí)參考模型可以應(yīng)用于雙余度角度傳感器的故障檢測(cè)中。

3 雙余度角度傳感器故障檢測(cè)

    角度傳感器為雙聯(lián)共軸電位器，分別采用±15 V電壓為電位器供電。由于雙聯(lián)電位器阻值分布和線性度不可能完全一致，導(dǎo)致舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)同一角度，電位器輸出的電壓變化也不完全一致。為了減小由于電位器差異造成的誤差，利用角度傳感器分別采集電位器輸出電壓和轉(zhuǎn)動(dòng)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后用最小二乘法擬合出電位器轉(zhuǎn)動(dòng)角度和輸出電壓值的線性關(guān)系。在實(shí)際工作過程中，將采集到的電位器電壓值轉(zhuǎn)化為角度，然后再進(jìn)行控制。

3.1 故障檢測(cè)方法

    為了準(zhǔn)確判斷出電位器是否出現(xiàn)故障，并確定哪一個(gè)余度出現(xiàn)故障，采用的基本思想是：首先通過對(duì)比采集到兩路角度傳感器的角度值來判斷角度傳感器是否存在故障，然后將角度傳感器的值和辨識(shí)參考模型對(duì)比確定出現(xiàn)故障的余度。具體檢測(cè)步驟如下：

    步驟1：分別采集兩路角度傳感器的電壓值，并根據(jù)擬合公式將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成角度信號(hào)。

    步驟2：計(jì)算兩路角度傳感器角度信號(hào)的差值，并判斷差值是否超過故障的閾值。如果大于閥值則有一路信號(hào)存在故障，進(jìn)入步驟3；如果小于閾值則兩路角度傳感器工作正常。

    步驟3：計(jì)算兩路角度傳感器與辨識(shí)參考模型輸出的差值是否超過閾值，如果超過則判斷此路角度傳感器信號(hào)出現(xiàn)故障。

    步驟4：將舵機(jī)控制系統(tǒng)的角度傳感器信號(hào)切換到?jīng)]有故障的余度。

    為了保證此故障檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性，防止出現(xiàn)錯(cuò)檢和漏檢，上述故障檢測(cè)步驟需要連續(xù)N個(gè)周期出現(xiàn)同樣的問題時(shí)才判斷電位器出現(xiàn)故障。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

    為了說明此種故障檢測(cè)方法的有效性，選擇典型的電位器故障，在不同的控制輸入下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在舵控系統(tǒng)工作過程中，電位器滑動(dòng)指針出現(xiàn)斷損是最常見的故障。因此模擬處于工作狀態(tài)的余度電位器出現(xiàn)斷針故障，驗(yàn)證此故障檢測(cè)方法能否檢測(cè)出故障，并且切換到備份余度電位器來保證舵控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

    為了模擬此種故障，在舵機(jī)工作過程中將主余度電位器的信號(hào)輸出線切斷。觀察故障檢測(cè)方法和故障切換的有效性。為了充分驗(yàn)證方法的有效性，分別選取具有代表性的正弦信號(hào)、階躍信號(hào)和隨機(jī)白噪聲信號(hào)作為控制輸入進(jìn)行驗(yàn)證。

    圖5所示為控制信號(hào)是正弦信號(hào)時(shí)的故障檢測(cè)結(jié)果。開始時(shí)余度1電位器反饋?zhàn)鳛橄到y(tǒng)反饋信號(hào)接入到控制系統(tǒng)，在5 s左右將余度1電位器斷路。從圖中可以看出，在余度1反饋斷路后，控制系統(tǒng)可以快速地將反饋信號(hào)切換到電位器余度2反饋，并且保證舵控系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠。

    圖6和圖7分別為控制信號(hào)是階躍信號(hào)和隨機(jī)白噪聲信號(hào)時(shí)的故障檢測(cè)結(jié)果。開始時(shí)余度1電位器反饋?zhàn)鳛橄到y(tǒng)反饋信號(hào)接入到控制系統(tǒng)，在5 s左右將余度1電位器斷路。從圖中可以看出，在余度1反饋斷路后控制系統(tǒng)可以快速地將反饋信號(hào)切換到電位器余度2反饋，并且保證舵控系統(tǒng)工作的穩(wěn)定可靠。

    從測(cè)試結(jié)果可以看出，基于辨識(shí)參考模型的故障檢測(cè)方法可以及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出角度傳感器的故障，并且切換到備份余度的角度傳感器，保證舵控系統(tǒng)正常工作，提高系統(tǒng)的可靠性。

4 總結(jié)

    本文研究了無人機(jī)雙余度電動(dòng)舵機(jī)角度傳感器故障檢測(cè)的方法。針對(duì)雙余度角度傳感器的特點(diǎn)提出了基于辨識(shí)參考模型的故障檢測(cè)方法。首先通過理論推導(dǎo)和機(jī)理分析的方法建立了舵控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后利用模型辨識(shí)的方法確定了模型的參數(shù)。通過引入速率飽限制和位置限幅，解決了舵控系統(tǒng)模型由于速度飽和導(dǎo)致跟蹤大角度輸出時(shí)存在較大誤差的問題，使模型即使在存在力矩干擾時(shí)仍然可以作為參考模型進(jìn)行故障檢測(cè)。最后給出了雙余度電位器故障檢測(cè)的步驟，并且通過實(shí)際的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

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作者信息:

楊金鵬，梁  東，楊  濤，張志新

（中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院 測(cè)控事業(yè)部，北京100074）