台风圣帕花良浩;殷芝霞;杨蒲
【摘 要】对无人机故障注入与故障诊断实时仿真平台的功能模块进行划分和描述,构建仿真系统的框架.在VxWorks环境下建立无人机故障注入与故障诊断半物理实时仿真平台.利用该平台可以进行飞行控制、故障注入与故障诊断等不同的仿真任务,同时各模块相对独立,有较好的移植性和工程应用性,系统测试结果表明了该平台设计的合理性,为无人机故障注入与故障诊断通用仿真平台设计提供了有益参考.%We divide and describe the functional modules of simulation platform for UAV (unmanned aerial vehicle) fault injection and diagnosis,and built the framework of the simulation system.We also establish a real-time half physical simulation platform for UAV fault injection and diagnosis in VxWorks/Windows environment.The platform can be used for various simulation tasks such as the flight control,fault injection and diagnosis,etc.Meanwhile,these modules are independent each other and have preferably good portability and engineering applicability.System test results prove the rationality of the platform design,it provides a beneficial reference for designing the general simulation platform of UAV fault injection and diagnosis. 【年(卷),期】2013(030)008
【总页数】4页(P106-108,142)
【关键词】存瑞小学无人机;故障注入;故障诊断;半物理仿真平台
【作 者】花良浩;殷芝霞;杨蒲
【作者单位】南京航空航天大学自动化学院 江苏南京210016;南京航空航天大学自动化学院 江苏南京210016;南京航空航天大学自动化学院 江苏南京210016扈莹悦
【正文语种】中 文
不锈钢t型条【中图分类】TP271
0 引言
无人机是航空领域的重要分支，一旦飞行器发生故障，会导致重大财产损失。如果可以对
故障进行及时有效地检测，就可以采取一定的措施，从而防止重大故障的发生。在实际研究中，仿真是检验一种故障诊断算法必不可少的过程，特别是半物理仿真，已经成为一种算法由理论转向工程应用的实质性标志。
在无人机故障诊断半物理仿真设计与应用领域，国外的技术相对较为成熟，数字仿真精度较高，但公开发表的技术成果鲜见，国内对无人机故障诊断方法的仿真验证多数还是以软件仿真为主，如:文献［2］在Matlab\simulink环境下建立了仿真平台，文献［8］将Matlab与VC的结合建立了仿真平台，这些算法虽然在仿真时效果较好，但在实际应用中实时性和抗干扰效果往往较差，因而难以在实际诊断系统中推广应用。在故障诊断半物理仿真平台研制方面，目前国内已有一些成果，如南京航空航天大学和西北工业大学，但这类平台设计上主要以验证单一类型故障为主，无法在线实时设置故障类型与改变故障注入方式，因此难以验证算法在多故障、突发故障以及随机故障条件下的有效性。
本文以某型无人机为应用背景对象，从故障诊断算法验证与故障注入方式设计两个角度出发开发并研制了一套基于Vx-Works实时操作系统的嵌入式无人机故障注入与故障诊断半物理仿真平台，不仅能够在某一故障条件下快速检验故障诊断算法的好坏，而且能够根据用
户需要，在任意时间在系统中的任意位置灵活注入不同类型的故障。整套系统功能丰富，实时性好，硬件仿真度高，软件界面友好，能够为科研人员提供一个更加真实的无人机运行环境，有效验证故障诊断算法的实用性。
1 仿真平台总体设计
1.1 系统功能设计
(1)无人机飞行模拟与飞行控制 由飞控计算机和模型仿真计算机构成的飞行仿真系统，可以模拟真实环境中无人机在飞行控制器操纵下按照预定轨迹飞行的状态。
氰酸钾(2)数据采集与保存 实时快速采集飞行控制系统中飞控计算机与模型仿真计算机的各类数字、模拟及通信信号，能够针对不同类型信号选择不同的采样频率，确保数据采集的快速性和准确性，同时具备完善的数据库系统，能够实时保存系统飞行过程中各类重要数据。
(3)故障设置和故障注入 能够根据用户要求灵活设置飞行控制系统的常见故障，如信号拉偏故障、通道干扰故障、通道堵塞故障、通信错误故障、信号相容性故障等。同时能够按用户要求在任意时间向任意的故障位置注入特定类型的故障，注入方式可以是串口命令式或
者数据替换式，可以在故障注入过程中随时监视故障注入情况。
(4)故障诊断与结果分析 可以以图形、数字等多种方式显示故障注入及实时仿真数据。能够以文件的形式保存实验数据，结合不同评判标准，采用多种手段评测故障诊断算法的有效性和飞行控制系统的容错性能。
此外，整套系统在软、硬件设计上都应具有良好的可扩展性，便于系统功能升级和外接其他物理器件。
1.2 仿真平台总体结构设计
随着现代无人机系统功能以及故障诊断算法复杂度的增加，若采用传统DOS操作系统加汇编语言的方式进行仿真平台系统设计，开发复杂，可靠性差，无法保证实时性。此外，传统的半物理仿真平台，在可扩展性、可维护性以及开发时间等方面都存在明显不足。结合本系统功能设计要求，本文基于VxWorks实时操作系统，并利用VC强大的MFC高级控件功能来解决传统半物理仿真平台研制中所遇到的上述问题。
图1 仿真平台总体结构和功能
图1为本文所构建的故障注入与故障诊断仿真平台系统的总体结构框图。整个仿真平台由以下几部分组成:
1)模型仿真计算机MS(Model Simulation Computer):主要完成解算无人机的开环系统数学模型。
2)控制和故障诊断计算机CFD(Control and Fault Diagnosis Computer):主要完成解算系统飞行控制算法和故障诊断算法，控制无人机的飞行轨迹。滴血的青春
3)监控和故障注入计算机MFI(Monitor and Fault Injection Computer):具备良好的人机对话窗口，能够完成故障的注入功能，可以实现仿真启动停止、初值设定等多种仿真指令下达以及数据的保存与曲线显示等多种功能。
模型仿真计算机、控制和故障诊断计算机以及监控和故障注入计算机之间相互通信，连接成整个仿真平台。模型仿真计算机向控制和故障诊断计算机实时传送无人机的飞行状态参数值，并接受控制率信息。控制和故障诊断计算机向监控和故障注入计算机传递飞控系统中控制器、传感器以及执行器运行信息并接受监控和故障注入计算机下达的各种控制指令
信息。监控和故障注入计算机实时接受来自模型仿真计算机和控制计算机传递的各类实时运行数据，显示并监控无人机系统的运行状态，并能够修改故障诊断算法与控制参数，并向模型仿真计算机和控制计算机发送故障注入信号，模拟多种类型的故障发生状况。
2 仿真平台的硬件组成
2.1 系统硬件配置方案设计
为实现故障注入与故障诊断的功能，本系统采用软件模拟故障的实现方法，整个仿真平台的硬件由故障监控与故障诊断控制台(含一台PC机及显示器)、两台工业控制计算机和接口箱组成，其中两台工业控制计算机与接口箱共同组装在一个控制柜内。其结构如图2所示。
图2 仿真平台硬件配置方案
基于被测系统的工作环境、实时性要求及便于软件开发考虑，工业控制计算机单元采用CPCI总线工业控制计算机为硬件载体。其主要特点是:
1)性能优秀:32位33Mhz的CPCI总线最大传输速度为每秒132兆字节，64位33Mhz的为每秒264兆字节，完全达到设计要求。
2)软件设计方便:由于CPCI总线是与PCI总线兼容的开放式架构，可以利用PC技术的软件资源，产品研制周期短、成本低。
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