多旋翼飛行器設(shè)計(jì)與控制理論 -第14講-健康評(píng)估和失效保護(hù)V2

第十四講健康評(píng)估和失效保護(hù)2024/5/2832024/5/2844.失效保護(hù)5.安全決策實(shí)現(xiàn)2024/5/2851.使過(guò)程受控。由于多旋翼需要與人交互，故將多旋翼的行為劃分成不同的簡(jiǎn)單的模式，能夠讓人在多旋翼飛行過(guò)程中掌握飛行器的行2.適應(yīng)不同的飛行任務(wù)。在手動(dòng)和自動(dòng)模式的切換時(shí)，多旋翼的模式也應(yīng)該相應(yīng)改變，從而使控制器適應(yīng)不同的控制方式。切換到合適的目標(biāo)和控制器，保障飛行器安全。4.更好地映射出用戶需求，同時(shí)也可以方便需求方和實(shí)施方理解。2024/5/286在多旋翼起飛前、飛行中都存在影響多旋翼安全的問(wèn)題，這些安全問(wèn)題與多旋翼決策存在著緊密的聯(lián)系。在這里，主要考慮以2.傳感器失效(SensorFailure)3.動(dòng)力系統(tǒng)異常(PowerSystemAnomaly)4.參數(shù)配置錯(cuò)誤(ParameterConfigurationMistake)2024/5/287通信故障主要是指遙控器（RemoteController,RC）與多旋遙控器未校準(zhǔn)是指多旋翼在第一次飛行之前，飛控手未對(duì)遙控器進(jìn)行校準(zhǔn)，即沒(méi)有讓多旋翼“知道”遙控器每個(gè)搖桿和開(kāi)關(guān)的具體作用。若未對(duì)遙控器進(jìn)行校準(zhǔn)，則在多旋翼飛行過(guò)程中其飛行控制系統(tǒng)無(wú)法識(shí)別用戶的指令，甚至可能識(shí)別錯(cuò)誤的指令導(dǎo)2024/5/288遙控器失聯(lián)是指在多旋翼起飛前或飛行過(guò)程中，遙控器和機(jī)載信號(hào)接收器無(wú)法正常通信。若使用遙控器控制多旋翼飛行，遙控地面站失聯(lián)是指在多旋翼起飛前或飛行過(guò)程中，地面站與多旋翼無(wú)法正常通信。若多旋翼需要完成設(shè)定任務(wù)，則地面站失聯(lián)將2024/5/289傳感器失效主要是指多旋翼上機(jī)載傳感器測(cè)量不準(zhǔn)確，無(wú)法2024/5/28電子羅盤(pán)失效會(huì)導(dǎo)致多旋翼無(wú)法控制飛機(jī)朝向，即無(wú)法有效控制偏航通道。電子羅盤(pán)失效問(wèn)題主要體現(xiàn)在五個(gè)方面：1）電子羅盤(pán)硬件失效；2）電子羅盤(pán)未校準(zhǔn)；3）電子羅盤(pán)偏移量過(guò)高（通常是因?yàn)樵陔娮恿_盤(pán)附近存在金屬物體）；4）區(qū)域磁場(chǎng)過(guò)高或過(guò)低（高于或低于期望值的35%5）自駕儀中電子羅盤(pán)指向與外置電子羅盤(pán)（可能是單獨(dú)的模塊，也可能是與GPS封裝在一起的模塊）指向不同（指向偏差大于45度，通常是因?yàn)榇嬖陔娮恿_盤(pán)未校正）。2024/5/28GPS失效是指GPS模塊無(wú)法精確測(cè)量位置信息，導(dǎo)致多旋翼無(wú)法完成設(shè)定航路或者定點(diǎn)懸停。多旋翼在失去了GPS模塊返回的位置信息之后，僅能依靠慣性傳感器給出約10秒的較為精確的位置信息，之后會(huì)發(fā)生較大的位置測(cè)量誤差。慣導(dǎo)系統(tǒng)失效是指陀螺儀和加速度計(jì)無(wú)法正確給出姿態(tài)角和姿態(tài)角3）不同的陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量不一致2024/5/28動(dòng)力系統(tǒng)異常主要指電池失效，以及電調(diào)、電機(jī)和槳的硬件故障導(dǎo)致（1）電池失效。通常是由于電池電量不足或者電池壽命減少導(dǎo)致的多旋（2）電調(diào)故障。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：1）電調(diào)無(wú)法正確識(shí)別自駕儀給（3）電機(jī)故障。主要表現(xiàn)在一定的輸入電壓下，輸出不正確的轉(zhuǎn)速。（4）螺旋槳失效。槳的故障主要表現(xiàn)在槳葉松動(dòng)，槳葉磨損和折斷等。 2024/5/2813對(duì)于微小型多旋翼飛行器來(lái)講，在飛行過(guò)程中出現(xiàn)執(zhí)行器失效的可能性相對(duì)較小。該類(lèi)失效通常發(fā)生在由于2024/5/28多旋翼參數(shù)配置錯(cuò)誤主要是指用戶對(duì)自駕儀相2024/5/28健康評(píng)估（HealthEvaluation）是通過(guò)監(jiān)測(cè)并分析以及系統(tǒng)在未來(lái)一定時(shí)間段內(nèi)是否存在異?；驖撛诘墓式】翟u(píng)估是監(jiān)測(cè)多旋翼安全問(wèn)題的重要手段，主要包括兩個(gè)方面：飛行前健康檢查（離線）和飛行中健康評(píng)估2024/5/28在用戶嘗試解鎖多旋翼時(shí)，自駕儀自動(dòng)對(duì)以上十一項(xiàng)進(jìn)行檢查。若有一項(xiàng)不通過(guò)，則自駕儀給出相應(yīng)提示音（若地面站與多旋翼已連接，則會(huì)在地面站提示自檢檢查項(xiàng)對(duì)應(yīng)安全問(wèn)題123456789針對(duì)遙控器與多旋翼的通信健康評(píng)估，若多旋翼持續(xù)x秒（比如5秒）未收到來(lái)自遙控器的信號(hào)，則認(rèn)為遙控器與多旋翼失去連接；針對(duì)地面站與多旋翼的通信健康評(píng)估，若多旋翼持續(xù)x秒（比如5秒）無(wú)法接收地面站發(fā)2024/5/282024/5/28i）多旋翼返回的mag_field值可以反映來(lái)自動(dòng)力系統(tǒng)的磁場(chǎng)干ii）電子羅盤(pán)的各個(gè)方向的補(bǔ)償量應(yīng)該在-150~150之間，若不2024/5/2820對(duì)于GPS的健康評(píng)估，在多旋翼飛行過(guò)程中，利用EKF結(jié)合慣性測(cè)量單元（IMU）所得數(shù)據(jù)更新下一步的飛行器位置與GPS2024/5/2821從飛行參數(shù)的角度來(lái)講，可以通過(guò)獲取“可用衛(wèi)星數(shù)目值”和“水平精度因子（HDOP）值”來(lái)判斷GPS是否出現(xiàn)差錯(cuò)（glitch）。若“可用衛(wèi)星數(shù)目值”小于9，則認(rèn)為GPS2024/5/28231）基于模型的電機(jī)和槳的健康評(píng)估（文獻(xiàn)中常見(jiàn)的提xk+1=f(xk)+BΛkuyk=CTxk+vk 執(zhí)行器的實(shí)時(shí)健康評(píng)估歸結(jié)于對(duì)效率矩陣的實(shí)時(shí)估計(jì)2024/5/2824在這里，利用增廣EKF（Augmented-EKF）的方法實(shí)現(xiàn)ηkkk2,k和ε2,k為高斯白噪聲。進(jìn)一步，增廣系和ε2,k為高斯白噪聲。進(jìn)一步，增廣系統(tǒng)可寫(xiě)為kuk+Γwk]|ηk+1k|ηk+1kk||ykT||ykT+vk2024/5/2825這里介紹種基于振動(dòng)信號(hào)的執(zhí)行器健康監(jiān)測(cè)方法的步驟[1].[1]YanJ,ZhaoZY,BasedonAirframeVibrationSignals:AData-DrivenMethod.In:Proceedingsofthe34thCControlConference.HangZhou,Chi2024/5/2826基于振動(dòng)信號(hào)的執(zhí)行器健康監(jiān)測(cè)方法的步驟：），），步驟2.對(duì)于每種情況，做多組實(shí)驗(yàn)，可利用多旋翼加圖14.2槳葉形狀（自上至下依次為：正常槳葉，斷槳槳葉，切削槳葉）步驟3.利用小波包分解對(duì)一個(gè)時(shí)間段的信號(hào)進(jìn)行處理，獲得小波包系數(shù)和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差。以四階小波包分解為例，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波包分解可獲得16組小波包信號(hào)系數(shù)，對(duì)每一組系數(shù)計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差，即可得到的標(biāo)準(zhǔn)差向量，該向量就認(rèn)為是振動(dòng)2024/5/2827基于振動(dòng)信號(hào)的執(zhí)行器健康監(jiān)測(cè)方法的步驟：圖12.3小波包分解信號(hào)步驟4.離線訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為健康監(jiān)測(cè)器。網(wǎng)絡(luò)輸入為第二步求得的振動(dòng)信號(hào)特征向量，網(wǎng)絡(luò)輸出為該信號(hào)對(duì)應(yīng)的健康狀態(tài)。步驟5.利用訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線健康監(jiān)測(cè)。將實(shí)時(shí)采集到的振動(dòng)信號(hào)首先進(jìn)行小波包分解，并將結(jié)果輸入到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步會(huì)輸出健康監(jiān)測(cè)結(jié)果。2024/5/2828圖12.4第4組實(shí)驗(yàn)結(jié)果292024/5/28293）電池的健康評(píng)估在工程上，常利用電池端電壓來(lái)作為描述電池電量多少的指標(biāo)，電池內(nèi)阻來(lái)反映電池壽命。在文獻(xiàn)中，存在關(guān)于電池荷電狀態(tài)（StateofCharge,SoC）SoC=1表示電量充滿，SoC=0表示電量耗盡。2024/5/28這里，給出文獻(xiàn)中出現(xiàn)的一種基于濾波的SoC和電池內(nèi)阻估計(jì)方法。k+1k1,kk+1k1,kk+1k2,kR=k+1k2,k其中S為電池的SoC值，i為放電電流（單位：AR為電池內(nèi)阻（單位：?),Qmax為電池容量的標(biāo)稱值（單位：AhTs為采樣時(shí)間（單位：hw為系統(tǒng)噪kk+C+vk），為電池的開(kāi)路電壓-荷電狀態(tài)（OCV-SoC）變化曲線。2024/5/283）電池的健康評(píng)估離線電池充放電實(shí)驗(yàn)，得到模型初始參數(shù)電壓變化緩慢圖14.5電壓-荷電狀態(tài)曲線圖14.6充放電數(shù)據(jù)（電壓-時(shí)間，電流-時(shí)間曲線）2024/5/28基于以上方程，可利用基于以上方程，可利用EKF或UKF實(shí)現(xiàn)SoC和R的估計(jì)3）電池的健康評(píng)估根據(jù)在線電池放電數(shù)據(jù)，進(jìn)行SoC估計(jì)圖14.7基于UKF的SoC在線估計(jì)得到模型參數(shù)之后，根據(jù)EKF或UKF實(shí)現(xiàn)SoC和電池內(nèi)阻R值的在線估計(jì)。給定電池的實(shí)時(shí)放電電流和路端電壓，實(shí)時(shí)估計(jì)出電池的SoC值，右圖中可以看出估計(jì)的SoC值與真實(shí)的SoC值較為接近,說(shuō)明了該方法的有效性。[2]HeW,WilliardN,ChenC,etal.StateofchargeestimationforelectricvehiclebatteriesusingunscentedKalmanfiltering[J].MicroelectronicsReliability,2013,53(6):840-8472024/5/28在飛行過(guò)程中，多旋翼也會(huì)對(duì)關(guān)鍵部件設(shè)置失效保護(hù)。這里介紹幾種關(guān)鍵部件的失效保護(hù)示例：2.傳感器故障失效保護(hù)3.動(dòng)力系統(tǒng)異常失效保護(hù)2024/5/28在多旋翼飛行過(guò)程中（利用遙控器控制多旋翼時(shí)），若遙控器失聯(lián)，則建議執(zhí)行以下保護(hù)措施：），2）若飛行器油門(mén)為0或已經(jīng)著陸，則立即鎖定飛行器；3）若多旋翼裝有GPS模塊，且離起飛點(diǎn)（HOMEPOSITION）的直線距離超過(guò)設(shè)定閾值，則多旋翼立即返航；4）若多旋翼未裝有GPS模塊，或者離起飛點(diǎn)的直線距離小于設(shè)定閾值，則多旋翼直接著陸；如果遙控器與機(jī)上信號(hào)接收器通信恢復(fù)，多旋翼應(yīng)該怎么辦？如果遙控器與機(jī)上信號(hào)接收器通信恢復(fù)，多旋翼應(yīng)該怎么辦？2024/5/28（1）氣壓計(jì)失效保護(hù)。若多旋翼監(jiān)測(cè)到氣壓計(jì)故障，則建議多旋翼保持油門(mén)不變，從定點(diǎn)模式降級(jí)為自穩(wěn)定模式。（2）電子羅盤(pán)失效保護(hù)。若多旋翼監(jiān)測(cè)到電子羅盤(pán)故障，則建議多旋翼根據(jù)用戶配置，從定點(diǎn)模式降級(jí)為定高模式。（3）GPS失效保護(hù)。若多旋翼監(jiān)測(cè)到GPS存在問(wèn)題，則建議多旋翼根據(jù)用戶配置，從定點(diǎn)模式降級(jí)為定高模式。（4）慣導(dǎo)系統(tǒng)失效保護(hù)。若多旋翼監(jiān)測(cè)到慣導(dǎo)系統(tǒng)失效，則建議多旋翼以逐漸減少拉力的方式實(shí)現(xiàn)緊急著陸。2024/5/28（1）若多旋翼監(jiān)測(cè)到電機(jī)、電調(diào)和槳葉故障，則），2）若飛行器油門(mén)為0或已經(jīng)著陸，則立即鎖定飛行器；3）在其他情況下，多旋翼直接著陸。若六旋翼監(jiān)測(cè)到某一個(gè)動(dòng)力單元失效嚴(yán)重，多旋翼可能失去一般可以采取控制重構(gòu)，或者將損傷看作擾動(dòng)，進(jìn)行抗擾控制等。2024/5/28（2）在電池失效保護(hù)中，用戶可以自主配置電池失效保護(hù)機(jī)1）可以設(shè)置電池最低電壓閾值“LowBattery”；2）可以設(shè)置電池最低電量閾值“ReservedMAH”；3）可以設(shè)置應(yīng)對(duì)措施為著陸或者返航。2024/5/28利用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)多旋翼的安全決策。狀態(tài)機(jī)是一個(gè)通過(guò)簡(jiǎn)單化假設(shè)而刻畫(huà)復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。一般地，假定以下條件成立：（3）系統(tǒng)在任何時(shí)間段內(nèi)總停留在某一狀態(tài)上；（5）系統(tǒng)狀態(tài)改變是系統(tǒng)對(duì)事件的反應(yīng)；（6）系統(tǒng)狀態(tài)改變所用的時(shí)間近似為零。2024/5/28在這里，我們首先定義三種多旋翼狀態(tài)。（1）斷電狀態(tài)（POWEROFFSTATE）。該狀態(tài)是指飛行器斷開(kāi)電源的狀態(tài)。該狀態(tài)下，用戶可以對(duì)飛行器進(jìn)行硬件拆卸、改裝和替換。（2）待命狀態(tài)（STANDBYSTATE）。當(dāng)飛行器連接上電源模塊，則立即進(jìn)入預(yù)飛行狀態(tài)。在本狀態(tài)下，飛行器起初未解鎖，用戶可以在該狀態(tài)下手動(dòng)嘗試解鎖飛行器，飛行器會(huì)進(jìn)行安全檢查，并根據(jù)檢查結(jié)果跳（3）地面錯(cuò)誤狀態(tài)（GROUND_ERRORSTATE）。該模式表示飛行器發(fā)生了安全問(wèn)題。在該模式下，蜂鳴器會(huì)出警報(bào)提醒用戶系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤。2024/5/2840進(jìn)一步，我們定義三種飛行模式人工手動(dòng)飛行模式可以讓你手動(dòng)控制多旋翼。該模式包含三個(gè)子模式，分2024/5/2841多旋翼事件定義是多旋翼狀態(tài)和飛行模式的切換的根據(jù)，是多旋翼決策的重要基礎(chǔ)。在這里，我們主要定人工輸入事件主要是指飛控手利用遙控器或者地面站發(fā)出的指令，并基于此改變多旋翼狀態(tài)和飛行模式的2024/5/2842圖14.8解鎖/鎖定指令示意圖2）PE2：人工操作指令（可以在手動(dòng)飛行、返航和自動(dòng)著陸之間切換）圖14.9人工操作指令示意圖2024/5/2843飛行器自身事件：主要是指在飛行器在飛行過(guò)程中，由于飛行器自身原因觸發(fā)的事件，該類(lèi)事件與人工操作無(wú)關(guān)，大多取決于機(jī)上各部件的工作狀態(tài)。ATE1：慣導(dǎo)系統(tǒng)健康狀態(tài)（1：健康；0：不健康）ATE5：動(dòng)力單元健康狀態(tài)（1：健康；0：不健康）2024/5/2844飛行器自身事件：主要是指在飛行器在飛行過(guò)程中，由于飛行器自身原因觸發(fā)的事件，該類(lèi)事件與人工操作無(wú)關(guān)，大多取決于機(jī)上各部件的工作狀態(tài)。ATE8：多旋翼高度與設(shè)定閾值的比較（1：多旋翼高度低于設(shè)定閾值；0：多旋翼高度不低于設(shè)定閾值）ATE9：多旋翼油門(mén)指令與設(shè)定閾值在一定時(shí)間段內(nèi)的比較（1：多旋翼油門(mén)指AT