高度傳感器在無人直升機(jī)上的應(yīng)用及故障分析

摘要：為了預(yù)防無人直升機(jī)使用過程中發(fā)生與高度傳感器相關(guān)的故障，減小飛行安全事故的可能性，針對某型無人直升機(jī)在執(zhí)行任務(wù)中發(fā)生的一次飛行故障，結(jié)合高度傳感器的工作原理和在無人機(jī)飛行控制中的應(yīng)用，采用可靠性分析中的故障樹的方法，分析了存在的故障原因。最后針對出現(xiàn)的高度傳感器故障原因提出了解決和預(yù)防的方法。
關(guān)鍵詞：無人機(jī)；高度傳感器；傳感器故障；故障樹

0 引言
    小型無人直升機(jī)在民用領(lǐng)域以及國防建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用前景，其安全可靠性也越來越受到人們的重視。而保證微小型無人直升機(jī)安全飛行的前提則是機(jī)載傳感器系統(tǒng)的可靠性。機(jī)載傳感器是飛控系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件，也是最容易產(chǎn)生故障的環(huán)節(jié)之一。由于機(jī)載傳感器工作在高溫強(qiáng)振動的環(huán)境下，極易引起傳感器性能不穩(wěn)定并引發(fā)故障。高度計(jì)是飛行器中重要的傳感器，對于飛行器的安全飛行與自主控制具有十分重要的作用，在日常使用無人直升機(jī)的過程中，發(fā)生過因?yàn)楦叨葌鞲衅魇ъ`，導(dǎo)致的飛行事故。本文對高度傳感器在無人直升機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，分析造成這一事故的原因，并提出了解決辦法。

1 高度傳感器在無人直升機(jī)飛控中的重要作用
1．1 常用的測量高度方法
    用來測量飛行高度的方法有很多種，根據(jù)不同的測量原理可以測量出不同定義下的飛行高度。常用的有以下幾種：
    (1)利用無線電波反射特性來測量飛行高度的方法，是將高度測量轉(zhuǎn)換為對時(shí)間的測量。電磁波在空中以光速c傳播且碰到地面能夠反射。因此，裝在飛機(jī)上的無線電發(fā)射機(jī)將電磁波發(fā)射到地面后，機(jī)上接收機(jī)的天線經(jīng)△t時(shí)間收到反射波，根據(jù)△t可測出飛機(jī)的真實(shí)飛行高度H。
    (2)通過測量飛機(jī)垂直地面運(yùn)動的線加速度來測量飛行高度，飛機(jī)相對于地面的垂向運(yùn)動的距離(高度)h、速度V和加速度ay間的關(guān)系如式(1)所示：
   
    (3)通過測量大氣參數(shù)來測量飛行高度，在重力場內(nèi)大氣的壓力、大氣密度均隨高度增高而減小，盡管各自的變化規(guī)律不同，但卻都是有規(guī)律可循的，于是，可以通過測量大氣壓力或大氣密度來間接測量飛行高度。
    在使用的無人機(jī)上使用的高度傳感器，選用的是第三類方法的傳感器。其是由Honeywell公司生產(chǎn)的HPA200-W2DB高度傳感器，是一種硅壓阻式壓力傳感器，具有靈敏度高、后續(xù)電路簡單且集成化程度高、綜合精度較高、無傳動部件、性能穩(wěn)定、可靠性高、體積小、質(zhì)量輕，以及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，很適合在無人機(jī)上的應(yīng)用。
1．2 高度傳感器的工作原理
    為了統(tǒng)一評估飛機(jī)的動力學(xué)特性，比較和計(jì)算飛行狀態(tài)，世界各主要航空國家制定了一種假想的標(biāo)準(zhǔn)大氣模型。該模型排除了地理坐標(biāo)、季節(jié)和晝夜等因素對大氣物理特性的影響，認(rèn)為大氣的溫度、密度和壓強(qiáng)隨高度按固定的規(guī)律變化。因此，可以利用大氣壓強(qiáng)數(shù)值計(jì)算無人機(jī)的飛行高度。
    標(biāo)準(zhǔn)氣壓——高度公式為：
   
    式中：PH為高度H下的氣壓；β為溫度梯度；g為重力加速度；R為空氣專用氣體常數(shù)；Tb，Hb，Pb為高度分層中相應(yīng)層的大氣溫度、標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度和氣壓的下限值。本文所論述的系統(tǒng)應(yīng)用于低空飛行的某小型無人機(jī)，飛行高度小于11km，可以取β=-6．5×10-3 k·m-1，g=9．8 06 65 m·s-2，R=287．052 87 m2·k-1·s-2；根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)提出的大氣溫度、高度及壓強(qiáng)分層的方法，選取Tb，Hb，Pb的值。
    測得氣壓值后，代入式(2)可計(jì)算出無人機(jī)飛行高度。
1．3 高度傳感器的數(shù)據(jù)在飛控系統(tǒng)中的應(yīng)用
    直升機(jī)的垂向控制是通過控制主旋翼的升力而實(shí)現(xiàn)的，垂向控制的高度信息和垂向速度信息就來自于高度傳感器，記錄下地面的氣壓，和直升機(jī)的飛行時(shí)氣壓值進(jìn)行比較，由于飛的越高壓力越低，通過兩者之間的差就能計(jì)算出直升機(jī)當(dāng)前的高度。通過高度的變化，就可以計(jì)算出垂向的速度，一旦高度傳感器出現(xiàn)故障，無人直升機(jī)的垂向控制系統(tǒng)就會I葉j現(xiàn)問題，導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。垂向控制回路，如圖1所示。

2 高度傳感器的故障現(xiàn)象及原因分析
    某型無人直升機(jī)在進(jìn)行飛行時(shí)，突然發(fā)生高度顯示失靈，無人直升機(jī)失去控制，截圖如圖2所示。
    對事故點(diǎn)的高度傳感器高度數(shù)據(jù)進(jìn)行截取，分析數(shù)據(jù)，繪制高度變化曲線如圖3所示。

    由圖2和圖3可以看出，無人直升機(jī)在飛行過程中，突然高度數(shù)據(jù)丟失，按照可靠性分析中的故障樹方法，列舉出可能造成故障的原因如圖4所示。
    根據(jù)發(fā)生故障時(shí)和飛機(jī)回收后地面測試的情況分析，發(fā)生的高度數(shù)據(jù)丟失有如下特點(diǎn)：
    (1)故障發(fā)生在飛行過程中，且屬于突然發(fā)生，高度數(shù)據(jù)卡死，不再發(fā)生變化，而且出現(xiàn)故障后無人直升機(jī)沒能自行修復(fù)故障。
    (2)地面測試時(shí)，重新開關(guān)機(jī)可以使無人機(jī)通過自檢，高度數(shù)據(jù)顯示恢復(fù)正常。斷開傳感器連線，出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，不關(guān)機(jī)情況下重新連接，高度數(shù)據(jù)不能恢復(fù)。
    (3)發(fā)生故障時(shí)的環(huán)境情況，沒有發(fā)現(xiàn)突發(fā)性天氣變化，氣象條件符合飛行要求。
    從無人直升機(jī)飛行的氣象要求來看，當(dāng)天的飛行完全符合飛行要求，事故發(fā)生后氣象部門，立即組織人員和裝備到發(fā)生事故的地點(diǎn)進(jìn)行了連續(xù)的觀測，從氣象部門反饋的數(shù)據(jù)和提供的意見可以看出，當(dāng)天飛行期間，并沒有出現(xiàn)風(fēng)切變一類的突然天氣變化。氣象因素的影響很小。
    通過前期的很多飛行來看，并沒有出現(xiàn)此類問題，應(yīng)該說飛行的航線上沒有能夠干擾到遙測遙控信號的固定的遮擋物和干擾物。事故發(fā)生后，研究廠家的人員到事故現(xiàn)場用場強(qiáng)儀進(jìn)行測試，也沒有發(fā)現(xiàn)干擾問題。在無人機(jī)出現(xiàn)故障的時(shí)刻，對無人機(jī)發(fā)出爬升盤旋指令，無人直升機(jī)能夠執(zhí)行，同時(shí)陀螺狀態(tài)、GPS數(shù)據(jù)、航向數(shù)據(jù)等全部正常顯示，從地面鏈路的監(jiān)控設(shè)備上的信號強(qiáng)度來看，遙測設(shè)備信號正常。無人直升機(jī)回收后，地面重新進(jìn)行和地面設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，一切數(shù)據(jù)均正常，地面遙測并沒有出現(xiàn)故障。
    對無人機(jī)在地面進(jìn)行測試，在地面重新啟動無人直升機(jī)，設(shè)備能夠進(jìn)行自檢通過，并能夠獲得高度數(shù)據(jù)，然后斷開高度傳感器，高度數(shù)據(jù)故障，再連接上高度傳感器，這時(shí)高度數(shù)據(jù)仍然故障，重新關(guān)機(jī)開機(jī)后，自檢能夠通過高度數(shù)據(jù)正常?？梢耘袛嘣诳罩泄收蠒r(shí)，高度傳感器硬件可能發(fā)生故障，高度傳感器不穩(wěn)定或者連接線路松動的可能性較大，同時(shí)在飛控軟件上沒能考慮空中傳感器故障后，需要重新自檢以便硬件問題解決后，自行恢復(fù)顯示和提供數(shù)據(jù)的問題。

3 同類問題解決辦法
    (1)飛行前的準(zhǔn)備工作要充分細(xì)致，加強(qiáng)飛機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)和飛行前的檢查工作，嚴(yán)格落實(shí)好飛行前準(zhǔn)備規(guī)范對于高度傳感器的檢查項(xiàng)目，減少飛機(jī)震動和空中環(huán)境變化，引起的接觸不良和硬件故障。
    (2)按照使用時(shí)限及時(shí)請專業(yè)人員對無人機(jī)上的傳感器設(shè)備進(jìn)行檢測和維修，如果達(dá)到返場時(shí)限，要及時(shí)返場，需要更換的要及時(shí)更換，確保傳感器的穩(wěn)定性，保障飛行安全。
    (3)及時(shí)更新飛控程序版本，在發(fā)現(xiàn)飛控軟件漏洞時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行更正。研發(fā)廠家在研發(fā)和飛行過程中也在不斷的總結(jié)問題，對無人直升機(jī)的飛控程序不斷的完善更新，新的飛控程序要更加穩(wěn)定可靠，在使用過程中要及時(shí)聯(lián)系研發(fā)單位，及時(shí)更新飛控程序到最新版本。
    在使用過程中在高度傳感器出現(xiàn)故障后，高度傳感器卡死，不能再次自動檢測，需要重新開關(guān)機(jī)才能進(jìn)行自檢，要解決這一個問題需要在飛控軟件中，增加出現(xiàn)故障后自動執(zhí)行高度傳感器自動檢測的程序，防止高度數(shù)據(jù)失靈。簡單的程序更改就可實(shí)現(xiàn)，在飛控軟件中加入一小段程序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控高度傳感器數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生數(shù)據(jù)丟失時(shí)，發(fā)出指令返回自檢程序從新執(zhí)行自檢。

4 結(jié)語
    高度傳感器作為無人直升機(jī)上的一個重要傳感器，在飛行控制中作用重要，研究高度傳感器的原理和在無人機(jī)控制中的應(yīng)用對于了解無人機(jī)很有意義。針對某型號無人直升機(jī)在一次飛行中出現(xiàn)的故障，采用可靠性分析的方法對其進(jìn)行了全面的分析，通過分析找到了這次故障的原因，高度傳感器的不穩(wěn)定和飛控軟件上的一些問題，結(jié)合故障發(fā)生的過程和后期的處理方法，分析原因，有針對性地提出了預(yù)防此類問題的措施，為今后有效地預(yù)防此類問題，提高飛行的安全性與可靠性提供了參考，從而降低了飛行事故的發(fā)生。