[发明专利]一种无人机水平姿态角的故障诊断方法

说明书

本发明涉及一种无人机水平姿态角的故障诊断方法，获取来自水平姿态角硬件双冗余传感器的两组无人机水平姿态角传感器信息，将两组传感器信息交叉组合，生成四路陀螺仪和加速度计的组合信息；通过数据融合算法将四路组合信息分别解算为四余度水平姿态角信息；通过运动超限判断和多余度投票表决，进行四余度水平姿态角的信息诊断，根据四余度水平姿态角信息诊断结果，进行水平姿态角传感器的故障诊断。本发明可以完成现行多余度硬件冗余才可进行的投票表决故障诊断机制，有效诊断更广泛的传感器故障，简化系统硬件结构，减少对安装空间和载重能力的要求，降低系统成本，提高了飞行控制系统的可靠性。

技术领域

本发明涉及无人机飞行控制系统领域，具体地说是一种无人机水平姿态角的故障诊断方法。

背景技术

无人机姿态角是飞行过程中需要重点关注的机体状态，水平姿态角(包括横滚角和俯仰角)更是无人机空中稳定控制的重要参数。因此现有飞行控制系统测量姿态角的关键传感器惯性测量单元，均通过配备硬件冗余来提高可靠性。现行工业级飞行控制器一般具备三余度或更高级别的硬件冗余，通过多余度硬件的投票表决机制，可以有效进行传感器的状态监测和各类故障的诊断定位。但多余度硬件冗余的系统成本较高，且对无人机安装空间和载重能力有更高要求，不适用于微型和小型无人机。

现行消费级微小型无人机的飞行控制器一般只具备传感器硬件双冗余，可以对传感器诸如初始化失败、数据中断、数据持续不变等严重故障进行诊断和隔离，但由于双数据源间相互比较缺乏基准的问题，无法对传感器非完全失效故障引起的数据异常进行准确定位。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种无人机水平姿态角的故障诊断方法，该方法只需硬件双冗余，通过解析冗余交叉组合生成四路水平姿态角信息，可以完成现行三余度及以上硬件冗余才可进行的投票表决故障诊断机制。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种无人机水平姿态角的故障诊断方法，包括以下过程：

步骤1：获取来自水平姿态角硬件双冗余传感器的两组无人机水平姿态角传感器信息，每组无人机水平姿态角传感器信息包括陀螺仪信息和加速度计信息；

步骤2：将两组传感器信息交叉组合，生成四路陀螺仪和加速度计的组合信息；

步骤3：通过数据融合算法将四路组合信息分别解算为四余度水平姿态角信息；

步骤4：通过运动超限判断和多余度投票表决，进行四余度水平姿态角的信息诊断；

步骤5：根据四余度水平姿态角信息诊断结果，进行水平姿态角传感器的故障诊断。

所述无人机水平姿态角包括横滚角和俯仰角。

所述水平姿态角传感器为惯性测量单元，即IMU，每个IMU中包括一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计。

所述四路陀螺仪和加速度计的组合信息包括：

第一IMU的陀螺仪信息和加速度计信息组合、第一IMU的陀螺仪信息和第二IMU的加速计信息组合、第二IMU的陀螺仪信息和第一IMU的加速计信息组合、第二IMU的陀螺仪信息和加速计信息组合。

所述数据融合算法，包括：

对陀螺仪角速度信息积分，得到水平姿态角的预测值，加速度信息经过补偿得到机体坐标系下的重力加速度向量，再通过该重力加速度向量在惯性坐标系下的投影关系得到水平姿态角的量测值，将预测值和量测值加权融合得到水平姿态角的输出值。

加速度信息补偿包括：

首先补偿由机体角运动和线运动引起的哥氏加速度得到机体实际加速度，再补偿由速度差分得到的机体运动加速度得到机体坐标系下的重力加速度。

所述四余度水平姿态角的信息诊断，包括：