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(wú)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(duì)該方法的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了介紹。結(jié)果顯示當(dāng)無(wú)人機(jī)機(jī)艙設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，該方法可準(zhǔn)確地診斷故障，提高無(wú)人機(jī)的安全性和自動(dòng)化程度。

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

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

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)因操作簡(jiǎn)單、工作效率高等特點(diǎn)廣泛地應(yīng)用于航拍、農(nóng)業(yè)、軍事等領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通常由飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)線電臺(tái)傳輸系統(tǒng)以及其它任務(wù)系統(tǒng)組成。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)，可同時(shí)完成多項(xiàng)任務(wù)，當(dāng)機(jī)艙內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，輕則影響無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)的精度，重則導(dǎo)致無(wú)人機(jī)系統(tǒng)失靈，出現(xiàn)墜機(jī)事故。現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，約90%的故障檢測(cè)和診斷過(guò)程都在飛行控制器中完成，該過(guò)程在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)占用一部分內(nèi)存，影響系統(tǒng)工作。當(dāng)前無(wú)人機(jī)故障的診斷基本依賴于事后工程師的經(jīng)驗(yàn)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(wú)人機(jī)機(jī)艙設(shè)備診斷工作困難并且需要花費(fèi)大量時(shí)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(yǔ)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(dòng)，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(dòng)控制系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)由大量的國(guó)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(shí)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(jiàn)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(chǎng)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(dòng)化。因此，工控網(wǎng)關(guān)把不同的語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成同一種語(yǔ)言，這樣整個(gè)系統(tǒng)才能達(dá)成統(tǒng)一。

因此文章結(jié)合現(xiàn)有的無(wú)^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(wú)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(wú)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(kù)中的代碼匹配，查找并顯示出該故障代碼對(duì)應(yīng)的診斷信息，使用工控網(wǎng)關(guān)技術(shù)能夠自動(dòng)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(wú)人機(jī)機(jī)艙設(shè)備診斷系統(tǒng)的安全『生和自動(dòng)化程度。

1.故障診斷工作原理

1.1無(wú)人機(jī)機(jī)體模型

1.3電量

目前市場(chǎng)上的無(wú)人機(jī)大多數(shù)采用鋰電池作為動(dòng)力來(lái)源，鋰電池在工作過(guò)程中，電壓會(huì)隨著放點(diǎn)過(guò)程逐漸降低，并且電壓變化率也會(huì)隨著電池電量的變化而變化。通過(guò)搜集不同型號(hào)的鋰電池，統(tǒng)計(jì)了額定電壓為12V的鋰電池在放電過(guò)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(shí)計(jì)算當(dāng)前已消耗的電量。為保證無(wú)人機(jī)的作業(yè)安全，當(dāng)無(wú)人機(jī)電池電量低于額定電壓的30%時(shí)，就向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)警告信號(hào)進(jìn)一步的對(duì)電池故障進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)剩余電量大于5%時(shí)發(fā)出報(bào)警。另外當(dāng)無(wú)人機(jī)電量充足的過(guò)程中，檢測(cè)無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)角，姿態(tài)角度大于70°時(shí)，表明無(wú)人機(jī)飛行不穩(wěn)定，有墜機(jī)危險(xiǎn)，并及時(shí)向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

1.4飛控系統(tǒng)故障

2.系統(tǒng)組成

針對(duì)無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程中常見(jiàn)的故障問(wèn)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(duì)無(wú)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(jì)算機(jī)作為總線控制器，同時(shí)外接各種總線儀器，便于現(xiàn)場(chǎng)診斷過(guò)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(yǔ)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(dòng)，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(dòng)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(wú)人機(jī)機(jī)艙設(shè)備故障診斷過(guò)程中的故障信息的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析整理、解譯故障代碼并生成診斷維修報(bào)告。工控機(jī)還對(duì)傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，同時(shí)完成對(duì)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(cè)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(duì)無(wú)人機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)波形、時(shí)序在線監(jiān)視和測(cè)量，以及完成對(duì)接受的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和波段分析，并將分析結(jié)果儲(chǔ)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(hào)測(cè)試卡主要用于對(duì)無(wú)人機(jī)上各種電信號(hào)檢測(cè)，主要包括陀螺儀信號(hào)、各旋翼電機(jī)信號(hào)、氣壓傳感器信號(hào)、GPS信號(hào)、飛行參數(shù)信號(hào)（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(hào)主要以電壓、電流、電阻和邏輯測(cè)試檔等形式出現(xiàn)。為滿足不同機(jī)型的無(wú)人機(jī)在各種環(huán)境下測(cè)試，采用適配器來(lái)滿足對(duì)無(wú)人機(jī)各個(gè)接插口的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2軟件模塊

基于工控網(wǎng)關(guān)的無(wú)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(jì)，主要包含有測(cè)試管理模塊、知識(shí)庫(kù)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(cè)試管理模塊主要完成對(duì)智能數(shù)據(jù)采集卡和通用信號(hào)測(cè)試卡等的管理，通過(guò)測(cè)試無(wú)人機(jī)的各種性能指標(biāo)參數(shù)、波形及時(shí)序分析，并實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的儲(chǔ)存和分析。知識(shí)庫(kù)管理模塊主要由規(guī)則庫(kù)、故障樹模型庫(kù)、故障事例庫(kù)以及維修資料庫(kù)組成。該模塊為知識(shí)庫(kù)的建立和維護(hù)提供開放式的操作。即用戶可方便地對(duì)這些庫(kù)進(jìn)行輸入、修改、添加、刪除及瀏覽操作。用戶通過(guò)搜集無(wú)人機(jī)作業(yè)故障的診斷信息，通過(guò)對(duì)上述的庫(kù)進(jìn)行添加操作，豐富庫(kù)資源，提高無(wú)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(kù)和交互獲取三部分組成，通過(guò)自動(dòng)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(guò)自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)自動(dòng)獲取，對(duì)于難于獲取的信息可以通過(guò)專家分析后才能獲得的信息則必須通過(guò)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(dòng)故障征兆對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)級(jí)框架，然后啟動(dòng)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(bào)告表，如果故障征兆數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)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(kù)。用戶界面則是為了方便實(shí)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(yàn)相應(yīng)的功能。

2.3故障診斷結(jié)果

無(wú)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(yǔ)言在Microsoft Visual Studio中編程開發(fā)的。Microsoft Visual Studio（簡(jiǎn)稱VS）是美國(guó)微軟公司的開發(fā)工具包系列產(chǎn)品，VS是一個(gè)基本完整的開發(fā)工具集，它包括了整個(gè)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(jì)，用戶可根據(jù)自身需要選擇相應(yīng)功能。

為檢測(cè)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(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中，采用四旋翼無(wú)人機(jī)作為測(cè)試無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)過(guò)程中分別設(shè)置了無(wú)人機(jī)常見(jiàn)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(cè)試不同故障類型情況下系統(tǒng)特性與正常運(yùn)行情況下的系統(tǒng)特性對(duì)比。同時(shí)為了驗(yàn)證所提出的基于工控網(wǎng)關(guān)的無(wú)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(yàn)，通過(guò)對(duì)無(wú)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(wú)人機(jī)系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)，仿真結(jié)果如圖6所示。

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

當(dāng)對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)施加信號(hào)產(chǎn)生卡死故障時(shí)，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(wú)人機(jī)系統(tǒng)發(fā)生卡死故障時(shí)，實(shí)際輸出與解析輸出變化趨勢(shì)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(wú)人機(jī)在第210步時(shí)發(fā)生卡死，系統(tǒng)診斷出故障時(shí)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(shí)間為0.05s。

當(dāng)對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)施加恒增益故障時(shí)，仿真時(shí)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(shí)，實(shí)際輸出與解析輸出出現(xiàn)偏差，殘差值的變化趨勢(shì)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(cè)到故障時(shí)，采樣步數(shù)為218步，因此可推算出，故障診斷系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)間為0.03s。

仿真時(shí)，對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)施加恒偏差故障信號(hào)時(shí)，仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9中的曲線可知，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)發(fā)生恒偏差故障時(shí)，實(shí)際輸出與解析輸出變化趨勢(shì)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(shí)的步數(shù)為220步左右，當(dāng)診斷系統(tǒng)檢測(cè)到恒偏差故障時(shí)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(shí)間為0.05s。

為檢測(cè)系統(tǒng)診斷故障的準(zhǔn)確率，試驗(yàn)一共進(jìn)行了20組試驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)了每次試驗(yàn)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(yàn)的診斷準(zhǔn)確率都在96%以上，表明所設(shè)計(jì)的無(wú)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(wú)人機(jī)系統(tǒng)的故障。

3結(jié)語(yǔ)

基于工控網(wǎng)關(guān)技術(shù)開發(fā)了無(wú)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(shí)對(duì)飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、無(wú)線電臺(tái)傳輸系統(tǒng)以及其它任務(wù)系統(tǒng)的接口信號(hào)快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行波形、時(shí)序以及電參數(shù)等測(cè)量分析。結(jié)合故障診斷庫(kù)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)故障信號(hào)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(guò)仿真測(cè)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(yǔ)言的人機(jī)交互界面，可實(shí)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(shí)時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)無(wú)人機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，快速準(zhǔn)確診斷出結(jié)果，并在報(bào)警前給出處理方法，有效避免了無(wú)人機(jī)飛行風(fēng)險(xiǎn)，在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域有一定的發(fā)展前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>