摘要：随着无人机技术的发展，现代无人机系统机载设备变得越来越复杂，在保障飞行安全、降低维护成本、提高无人机可用性方面，对故障诊断和维护方法提出了新的挑战。提高安全性、可靠性和效率，降低无人机的使用和维护成本，始终受到用户的密切关注。鉴于此，文章结合笔者多年工作经验，对无人机故障预测系统研究提出了一些建议，仅供参考。
关键词：无人机；故障；预测系统研究
引言
为无人机系统提供新型管理解决方案，能够预测系统故障概率并在下一段时间采取适当的维护措施，包括故障检测和隔离、故障诊断、故障预测、健康管理和组件寿命跟踪。无人机作为一个大型延迟复杂系统，只能通过遥测遥控数据来掌握飞机的状态，如果不能及时预判，当故障真的发生时，就会无能为力。遥测遥控数据是掌握无人机系统健康状态，预判和分析故障的重要手段，有时也是唯一的手段，更具有现实意义。
1、无人机的概述
无人驾驶航空器简称“无人机”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，其也可由车载计算机完全或间歇地自主操作。目前，无人机由于其自身特点和优越性能在军事、经济等领域得到了广泛应用，地位愈显重要。随着无人机技术越来越先进，无人机构造组成越来越复杂，由于受操控技能的熟练性和各种环境因素的影响，无人机故障时有发生。为了避免故障发生，减少对作战、训练任务的影响，对无人机故障进行预测并分析造成故障的重要因素尤为重要。国内外相关研究主要集中在大型无人机系统上。大型无人机系统的误操作率往往比有人驾驶飞机大一到两个数量级研究发现人为错误占早期大型无人机事故的21%至80%，而最近的研究发现它接近56%～69%。从理论上讲，提高无人机自动化程度和操控人员的经验水平可以减少大型无人机中的人为错误。为了避免大型无人机与其他飞行器碰撞，以及避免造成地面人员或财产的伤害，研究建议继续开发感知技术、规避技术、自动着陆技术。其他研究认为环境因素对大型无人机和有人驾驶飞机可靠性有很大影响，例如风速和风向。与载人飞行器相比，可用于无人机系统分析的数据要少得多。因此，大多数无人机可靠性研究倾向于通过指定最小故障率来满足可靠性目标，或利用故障树分析、故障模式和影响分析对无人机可靠性进行分析。这些无人机可靠性研究都是基于理论的分析，而不是基于数据的分析。
2、无人机传感器常见故障类型及故障原因
（1）短路故障：污染引起的桥路腐蚀、线路短路等。（2）偏差故障：偏置电流或者偏置电压。（3）开路故障：信号断线、芯片管脚没有连接等。（4）漂移故障：温漂、零漂等（5）周期性故障：电源、50Hz、干扰等。通信链路是无人机飞行的薄弱环节。无人机系统是“机-站-链”闭环控制系统，通信链路则是该系统的生命线。为了确保不间断的指挥与控制，各型无人机系统都会设置预编程序和自主返回地面的预案。某军基地一架MQ-1“捕食者”无人机在执行飞行任务中，因数据链中断导致坠毁。该事件引发全世界的震惊。人为差错导致的飞行安全事故比例加大。甚至，有无人机学员错把发动机启动开关当作起落架开关造成的坠毁。操纵员技能不足、机组缺乏团队协作、态势感知判断能力低下，是造成事故的主要人为因素。
3、无人机故障预测系统结构设计
3.1功能设计
无人机故障预测系统主要分为数据管理、离线分析、在线分析和智能决策4个分系统，各分系统及功能模块具体描述如下:(1)数据管理分系统。数据管理分系统是无人机故障预测系统的基础，负责统筹管理历史遥测数据、样本库和知识库。(2)离线分析分系统。首先对历史遥测数据进行预处理，包括数据归一化、数据缺项填补、野值滤除等;然后根据飞行阶段标志参数将历史遥测数据划分为5种工况(起飞、爬升、定高、下降和降落)，并且分别统计各工况下参数的数值特性和变化规律等;最后结合统计分析结果，利用神经网络、机器学习和时序分析等方法构建故障预测模型;(3)在线分析分系统。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆针对实时获取的下传遥测数据，提取遥测信号时间序列的低频分量进行趋势分析;利用离线训练的故障预测模型对当前无人机状态进行故障预测与健康评估;(4)智能决策分系统。综合分析无人机状态监测和故障预测结果，对无人机当前健康状态进行综合评估，主动向地面站发出故障预警和操作建议。
3.2拓扑结构设计
无人机故障预测系统未设置部件级故障预测，仅考虑设备级以上的故障预测。在飞行过程中，通过对设备状态空间(也即与设备相关的遥测参数)的实时监测与故障预测，可以获得该设备的健康状态;融合所有设备的健康状态信息，通过推理机和专家系统可以进一步评估分系统的健康状态;最后，根据各个分系统的健康状态，对无人机系统进行综合健康管理。
3.3提高机组协同能力
飞行操控技能、指挥员管理才能、机组人员的参与意识和协调配合能力，是决定无人机任务飞行军事效益的重要人为因素。机组成员之间的有效信息交流与正确决策制定是保证飞行安全的基础。应当借鉴运输机和民航机组人员的机组资源管理训练经验、内容和组训模式等，建立无人机飞行机组成员的CRM训练体系，以实现安全有效的无人机飞行。
3.4加强数据链路抗干扰能力
现代战场电磁环境恶劣复杂，对信号传输信道、战术计算机系统对数据链终端设备的干扰加大。加强数据链路的抗干扰能力，可以采用高速和变速跳频技术、自适应跳频技术、软/硬限幅处理技术、在战术计算机系统中设置诱敌深入的“蜜罐”系统、自适应天线系统，以及数据加密技术等，确保通信链路迅速、准确、保密、畅通。
3.5测试结果
设置在无人机稳定飞行25s时出现卡死故障，那么偏航角速率传感器的俯仰角信号测量拟合曲线如图2所示，其中实线为传感器实际测量值，虚线为估计值。按照同样的飞行仿真条件，对无人机发生传感器恒偏差故障的情况进行测试分析，设置在无人机稳定飞行25s时出现一个恒值偏差为2°的故障。按照同样的飞行仿真条件，对无人机发生传感器恒增益故障的情况进行测试分析，设置在无人机稳定飞行25s时出现一个比例系数为3.2的恒增益故障，则该情况下偏航角速率传感器的俯仰角信号测量拟合曲线。我们可以看出:改进粒子滤波算法能够通过差值准确判断是否发生故障。采用准确率、召回率和F1测试值作为分类方法的评价指标对最终得到的故障分类结果进行计算。由于采用了遗传算法对粒子滤波算法进行改进，使得算法执行复杂度有所增加，这在一定程度上牺牲了时间效率。但是，我们可以看出:提出诊断方法的各项指标均在94%以上，有效提高了诊断的准确率。
结束语
综上所述，提出的改进算法把传感器故障诊断问题视为多维复合假设检验问题，并利用序贯概率比检验法分析粒子滤波估计值与传感器输出值的残差，从而诊断对应的传感器是否发生故障。一旦传感器出现故障，使用广义最大似然法则来辨识具体的故障类型。该方法能以较高的诊断精度有效完成小型无人机的故障类型识别，对无人机应用具有一定的参考价值。
参考文献
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论文作者:刘欢,商智凯,王俊杰
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/9
标签：无人机论文; 故障论文; 系统论文; 分系统论文; 传感器论文; 数据论文; 状态论文; 《电力设备》2019年第19期论文;