无人机飞行控制系统故障诊断专家系统设计

无人机飞行控制系统故障诊断专家系统设计

飞行控制系统是无人机中最为重要的子系统，它作为无人机的 " 大脑 " 控制无人机整个飞行过程。它的工作状态直接影响到飞行的品质和安全性。为了确保无人机高安全性地飞行， 必须确保无人机飞控系统运行状态良好， 从而要求故障诊断系统能够全面准确地诊断出故障部位， 及时排除故障。 专家系统是近年来故障诊断领域最显著的成就之一，它是一种基于特定领域内的大量知识与经验的计算机智能程序系统。他应用人工智能技术， 根据领域内专家所提供的专业知识、 经验进行推理和判断，模拟专家做决定的过程来解决那些需要专家解决的问题。 故障诊断采用专家系统技术设计， 能够有效地对无人机飞控系统及时进行故障诊断和排故，保证飞行的安全。

1、无人机飞控故障诊断专家系统总体结构

本文所构建的无人机故障诊断专家系统总体结构如图-1所示。

图-1

无人机飞控故障诊断专家系统是一个包含极其丰富的无人机飞控领域知识的系统， 该专家系统包括以下六个部分：

(1)故障知识库： 存放无人机飞控故障诊断规则；

(2)综合数据库： 存放无人机故障原因的描述以及专家意见等信息；

(3)推理机： 对整个故障诊断推理过程的控制， 根据无人机飞控综合数据库中的当前信息与知识库中的规则进行匹配，然后利用适当的控制算法推理得出结论；

(4)知识获取： 地面维护人员通过人机接口建立、修改和删除无人机飞控系统故障诊断的规则；

(5)解释决策： 在维护人员需要时， 对整个故障诊断做出的详细解释；

(6)人机接口： 维护人员通过人机接口直观获得无人机飞控故障详细信息以及专家系统获取飞控领域的专业知识。

2、无人机飞行控制系统故障诊断专家系统的设计

2.1、专家系统知识的获取和知识库的建立

专家系统的知识是由领域专家向系统提供一定数量的数据及资料， 系统通过机器学习， 将这些数据和资料按一定格式整理成知识， 形成知识库。

知识表示就是专家系统利用某个专业领域的各种知识在计算机内部代码表示的知识进行推理和做出决策。知识表示方法的好坏将直接影响到系统推理效率。基于无人机飞行控制系统的复杂性、故障测试点的分布

和测试结果的相关性， 将系统故障按不同的级别分类列表， 形成具体的故障模块单元。 无人机飞行控制系统故障可以分为：计算机分系统故障、 传感器分系统故障、 作动分系统故障， 每个分系统故障， 还可以逐级细分。

2.2、综合数据库的建立

综合数据库包含极为丰富的专家性意见，综合数据库的建立需要设计者对整个飞控系统的测试和维护有深入的认识，本系统的综合数据库主要存储每个故障单元的故障原因和维修方法, 以及专家的意见等信息， 为飞控系统的故障分析和维修提供依据。

2.3、推理机的设计

该专家系统的推理机是一组计算机控制程序。它利用无人机飞控系统故障诊断知识库中的知识, 以及每个被诊断设备从外部获得的信号特点作为判断的依据，按诊断规则的求解策略进行推理、 诊断， 并给出故障诊断的结果。

本系统采用的是基于规则的搜索匹配思想， 基本思想是：

系统根据测试时每个被测单元得到的初始信息和测试的信息，在知识库中确认与之匹配的规则前提条件，若能得到匹配， 则将推出规则的结论， 并加入到数据库中作为下一步推理的已知事实， 如此反复即可完成诊断。 最后将结论中的故障码关联到综合数据库中的信息作为诊断结果输出。

考虑到故障诊断中信息的不确定性，本系统中知识库对故障信息做出了误差范围内的考虑，避免了推理搜索算法的繁琐， 遵循了搜索算法快速收敛的原则， 该推理机可以实现快速诊断无人机飞控系统的故障结果。

2.4、决策解释和人机接口设计

决策解释也是智能故障诊断系统中一个必不可少的部分， 是实现系统透明性的主要部分， 是一个智能诊断系统区别于其他计算机程序的一个重要特征。对一个完善的智能故障诊断系统来说， 不仅要求它能够准确地解决问题， 而且还要求它能对结果给出合理的解释。该系统根据综合数据库中的知识对每个分系统的具体故障都做出了合理的解释。

为确保维护的简便和可操作性，该故障诊断专家系统嵌入到飞行控制计算机中，还提供了一个终端供维护人员操作和显示诊断故障详细信息。 该人机接口不仅能对规则的添加、修改和删除等规则的维护操作，还可以实现对飞机设备实现维护操作， 并将诊断出的每条故障信息中包括部件故障原因、维修意见和专家建议等详细的故障维护所需的信息显示出来。

本系统可将诊断到的故障定位到 LRU(linereplaceableunit，外场可更换单元) 或 SRU(shop replaceable unit， 内场可更换单元) 级。 无人机维护人员可根据诊断出的详细的故障报告中的维修意见和专家建议进行维护。该系统使无人机的维护更简便、 快捷和准确。

3、结论

将专家系统应用于无人机飞控系统的故障诊断可有效提高无人机飞控系统的可靠性， 从而保证无人机的安全飞行。 该系统使维护人员能够快速反应和准确定位， 减少了维修时间，降低了维修费用， 提高了准确性， 此系统在某型国产无人机上的成功应用说明了此系统设计的科学性和有效性。