本發(fā)明涉及飛行器飛控系統(tǒng)的安全性和可靠性技術(shù)，具體地說(shuō)是一種基于分層架構(gòu)的飛行器飛控系統(tǒng)故障容錯(cuò)方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、智能運(yùn)載工具的設(shè)計(jì)與制造，不僅能夠提升產(chǎn)品的智能化水平，還能有效緩解城市交通壓力，提高城市運(yùn)行效率。隨著城市化進(jìn)程的加速，城市人口密度不斷增加，交通擁堵問(wèn)題日益凸顯，尤其是在一線城市。傳統(tǒng)的城市交通方式已經(jīng)難以滿足日益增長(zhǎng)的出行需求，亟需一種新型的交通方式來(lái)改善現(xiàn)狀。低空經(jīng)濟(jì)具有巨大的發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)空間，有望成為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的新引擎。電動(dòng)垂直起降飛行器作為一種新型的城市空中交通載具，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和潛力，為解決城市交通擁堵問(wèn)題提供了新的思路和解決方案。與傳統(tǒng)的直升機(jī)相比，該飛行器具有更低的運(yùn)營(yíng)成本和維護(hù)難度，更加環(huán)保和高效。其電力驅(qū)動(dòng)方式大幅降低了對(duì)航空燃油的依賴(lài)，減少了碳排放，符合綠色發(fā)展的要求。此外，電動(dòng)垂直起降飛行器的噪聲水平較低，對(duì)城市環(huán)境的影響較小，提高了居民的生活質(zhì)量。其垂直起降的特點(diǎn)，使得其能夠在城市中心等狹小空間進(jìn)行起降，為大型客機(jī)運(yùn)輸乘客提供了"最后一公里"的解決方案，有效緩解了城市交通壓力。

2、在當(dāng)今低空載人飛行器領(lǐng)域，面對(duì)運(yùn)行場(chǎng)景的復(fù)雜性、空中運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)性以及運(yùn)營(yíng)環(huán)境的不確定性，確保飛行器的高安全性已成為其商業(yè)化和普及化的先決條件。為了達(dá)到這一目標(biāo)，國(guó)際航空監(jiān)管機(jī)構(gòu)設(shè)定了嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)。飛行控制系統(tǒng)（飛控系統(tǒng)）作為飛行器的神經(jīng)中樞，其安全性和可靠性對(duì)整機(jī)的安全運(yùn)行至關(guān)重要，直接關(guān)系到飛行器的推廣和應(yīng)用。因此，本發(fā)明旨在提出一種系統(tǒng)的分層架構(gòu)飛控系統(tǒng)故障容錯(cuò)方法，以應(yīng)對(duì)飛行過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種異常情況，確保飛行器在面對(duì)故障或異常時(shí)仍能保持穩(wěn)定的飛行性能。分層容錯(cuò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的核心在于通過(guò)系統(tǒng)的冗余、模塊化和分層控制來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的各個(gè)部分高度集成，相互依賴(lài)，一個(gè)部分的故障可能會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)，難以進(jìn)行局部的修復(fù)或替換。容錯(cuò)設(shè)計(jì)只采用單一的控制邏輯或策略，缺乏多層次的控制和決策機(jī)制來(lái)應(yīng)對(duì)不同的故障情況，缺乏自適應(yīng)和自愈能力。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式屬于靜態(tài)設(shè)計(jì)，與分層容錯(cuò)架構(gòu)的動(dòng)態(tài)和靈活設(shè)計(jì)相反，靜態(tài)設(shè)計(jì)無(wú)法根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)或環(huán)境變化進(jìn)行調(diào)整，缺乏應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力。

3、當(dāng)前，我國(guó)在推廣低空載人飛行器并確保其安全應(yīng)用的過(guò)程中，面臨的一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是缺乏一套成熟可靠的一體化容錯(cuò)控制策略解決方案。這一挑戰(zhàn)不僅限制了飛行器在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行能力，也影響了其在安全性和可靠性方面的表現(xiàn)，從而制約了整個(gè)行業(yè)的健康發(fā)展。缺乏有效的容錯(cuò)控制策略，意味著飛行器在遇到意外情況時(shí)可能無(wú)法及時(shí)做出反應(yīng)，這不僅增加了事故風(fēng)險(xiǎn)，也降低了公眾對(duì)低空載人飛行器安全性的信任度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，提出一種飛行器飛控系統(tǒng)分層架構(gòu)故障容錯(cuò)方法和裝置。

2、為了克服這一難題，本發(fā)明提出了一種分層架構(gòu)的飛控系統(tǒng)故障容錯(cuò)方法。這種策略通過(guò)在不同層次上實(shí)施容錯(cuò)機(jī)制，能夠確保即使在部分系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，飛行器仍能保持安全運(yùn)行。該策略包括但不限于實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)、智能診斷潛在故障、以及快速響應(yīng)的控制重構(gòu)技術(shù)。這些技術(shù)的集成應(yīng)用，將極大提升飛行器在面對(duì)各種異常情況時(shí)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)施這種創(chuàng)新的控制策略，不僅可以顯著提高飛行器的可靠性和安全性，還將為我國(guó)先進(jìn)空中交通飛行器產(chǎn)業(yè)的落地和發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，加速產(chǎn)業(yè)的成熟和市場(chǎng)的認(rèn)可。這項(xiàng)研究不僅在理論上具有重要的探索意義，為飛行器安全控制領(lǐng)域提供了新的研究方向和方法論，而且在實(shí)際應(yīng)用中具有廣闊的前景，能夠直接促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)的升級(jí)。隨著這項(xiàng)研究的深入，預(yù)期將為我國(guó)乃至全球的低空載人飛行器安全應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，推動(dòng)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的制定，為未來(lái)城市空中交通的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)，具有重要的戰(zhàn)略意義。

3、本發(fā)明采用三余度飛控系統(tǒng)建立冗余度飛控系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)三個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的飛控通道；設(shè)計(jì)飛行器系統(tǒng)分層容錯(cuò)架構(gòu)；模擬執(zhí)行器故障，并進(jìn)行飛行器重構(gòu)后的控制器調(diào)整飛行器飛行狀態(tài)，并將飛行狀態(tài)反饋給頂層任務(wù)重構(gòu)單元，調(diào)整飛行器任務(wù)；若故障較為嚴(yán)重，降低飛行品質(zhì)，則使飛行器平穩(wěn)降落，若存在冗余替換單元，不影響飛行品質(zhì)，飛行器可繼續(xù)飛行執(zhí)行任務(wù)；模擬控制器故障；針對(duì)控制器故障，設(shè)計(jì)冗余控制器表決邏輯；注入控制器故障，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證冗余控制器表決邏輯的正確性。本發(fā)明采用冗余度飛控系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)通過(guò)增加系統(tǒng)的冗余性，提升了單個(gè)飛控系統(tǒng)的魯棒性。

4、本發(fā)明的第一個(gè)方面涉及一種飛行器飛控系統(tǒng)的分層架構(gòu)故障容錯(cuò)方法，包括以下步驟：

5、步驟一：采用三余度飛控系統(tǒng)建立冗余度飛控系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)三個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的飛控通道，通過(guò)三余度表決機(jī)制，在遭遇一次或兩次飛控計(jì)算機(jī)故障的情況下，飛行器仍能夠維持安全飛行；

6、步驟二：設(shè)計(jì)飛行器系統(tǒng)分層容錯(cuò)架構(gòu)，從下向上依次包括底層故障檢測(cè)單元層、控制策略調(diào)整單元層、軌跡重規(guī)劃單元層和頂層任務(wù)重構(gòu)單元層；

7、步驟三：模擬執(zhí)行器故障，并進(jìn)行飛行器執(zhí)行器故障注入；

8、步驟四：針對(duì)執(zhí)行器故障，設(shè)計(jì)一種基于執(zhí)行器控制命令信號(hào)差的卡爾曼濾波故障檢測(cè)方法；

9、步驟五：將執(zhí)行器故障檢測(cè)算法的檢測(cè)結(jié)果傳遞給控制器，采用基于增益調(diào)度的控制方法進(jìn)行執(zhí)行器在飛控系統(tǒng)的故障容錯(cuò)響應(yīng)，并將飛行狀態(tài)反饋給軌跡重規(guī)劃單元層，調(diào)整飛行器飛行軌跡；

10、步驟六：重構(gòu)后的控制器調(diào)整飛行器飛行狀態(tài)，并將飛行狀態(tài)反饋給頂層任務(wù)重構(gòu)單元，調(diào)整飛行器任務(wù)；若故障較為嚴(yán)重，降低飛行品質(zhì)，則使飛行器平穩(wěn)降落，若存在冗余替換單元，不影響飛行品質(zhì)，飛行器可繼續(xù)飛行執(zhí)行任務(wù)；

11、步驟七：模擬控制器故障；

12、步驟八：針對(duì)控制器故障，設(shè)計(jì)冗余控制器表決邏輯；

13、步驟九：注入控制器故障，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證冗余控制器表決邏輯的正確性。

14、其中，步驟二所述的飛行器系統(tǒng)分層容錯(cuò)架構(gòu)；通過(guò)分層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)故障管理的系統(tǒng)化和遞進(jìn)式控制；從局部故障的即時(shí)識(shí)別與處理，平滑過(guò)渡到對(duì)飛行器全局任務(wù)的實(shí)時(shí)適應(yīng)性調(diào)整。

15、其中，步驟三所述的模擬執(zhí)行器故障，并進(jìn)行飛行器執(zhí)行器故障注入，執(zhí)行器故障模型表達(dá)式為：

16、??????????????????????????????（1）

17、其中，為執(zhí)行器故障信號(hào)，為執(zhí)行器故障增益因子，當(dāng)?shù)扔?時(shí)，執(zhí)行器無(wú)故障；當(dāng)時(shí)，執(zhí)行器發(fā)生故障，該值越小故障越嚴(yán)重。

18、其中，步驟四所述的針對(duì)執(zhí)行器故障，設(shè)計(jì)一種基于執(zhí)行器控制命令信號(hào)差的卡爾曼濾波故障檢測(cè)方法，具體包括：

19、以四旋翼飛行器來(lái)驗(yàn)證故障檢測(cè)方法，在第四個(gè)電機(jī)中注入執(zhí)行器故障信號(hào)；計(jì)算第二執(zhí)行器控制命令信號(hào)和第四執(zhí)行器控制命令信號(hào)的差值，并取絕對(duì)值：

20、?????????????????????????（2）

21、為第二執(zhí)行器控制命令信號(hào)（）和第四執(zhí)行器控制命令信號(hào)（）的差值的絕對(duì)值，執(zhí)行器的狀態(tài)空間方程為：

22、???????????????????????（3）

23、??????????????????????（4）

24、為控制器輸出信號(hào)差值，為狀態(tài)變量；a和c為單位陣，為過(guò)程噪聲，方差為q，為測(cè)量噪聲，方差為r，k表示時(shí)刻；卡爾曼濾波的狀態(tài)變量后驗(yàn)估計(jì)為：

25、??（5）

26、式（5）表示狀態(tài)變量x(k)的卡爾曼濾波器估計(jì)，是卡爾曼濾波器的新息；

27、???????????（6）

28、其中，k(k)是卡爾曼增益，p(k|k-1)是卡爾曼濾波器中相應(yīng)的先驗(yàn)狀態(tài)誤差協(xié)方差；最后檢測(cè)環(huán)節(jié)將x(k|k)與設(shè)定閾值對(duì)比，若大于閾值，則輸出故障標(biāo)志位為1，反之為0。

29、其中，步驟五所述的執(zhí)行器故障發(fā)生觸發(fā)控制器中姿態(tài)控制器，高度控制器重新配置控制參數(shù)，調(diào)整飛行器飛行狀態(tài)，并將飛行狀態(tài)反饋給軌跡重規(guī)劃單元層，調(diào)整飛行器飛行軌跡，具體包括：

30、在檢測(cè)到執(zhí)行器故障時(shí)，控制器重新配置使俯仰和滾轉(zhuǎn)在0弧度穩(wěn)定，并低速著陸；由于偏航是不受控制的，飛行器會(huì)圍繞垂直軸旋轉(zhuǎn)；配置后的俯仰-滾轉(zhuǎn)角度控制器為：

31、???????（7）

32、?????????（8）

33、式（7）中，為俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的參考值，angle和angel_rate為飛行器姿態(tài)角及對(duì)應(yīng)角速度狀態(tài)反饋值，為角度外環(huán)比例增益參數(shù)，根據(jù)故障標(biāo)志位查表獲得，為外環(huán)角度信息差值；式（8）中，為內(nèi)環(huán)比例增益系數(shù)，為內(nèi)環(huán)積分增益系數(shù)，根據(jù)故障標(biāo)志位查表獲得，為俯仰-滾轉(zhuǎn)控制器輸出信號(hào)，調(diào)節(jié)飛行器的力矩變化。

34、其中，所述步驟六通過(guò)頂層任務(wù)重構(gòu)實(shí)現(xiàn)飛行任務(wù)的調(diào)整；頂層任務(wù)重構(gòu)以最小化任務(wù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)并最大化任務(wù)成功率，具體包括：

35、???????????????（9）

36、??????????????????（10）

37、其中，s表示飛行任務(wù)執(zhí)行策略，包括飛行路徑、速度、高度等決策變量，任務(wù)成功率(s)是基于策略s的任務(wù)完成概率；任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)(s)是基于策略s的任務(wù)失敗概率；是一個(gè)權(quán)重參數(shù)，用于平衡任務(wù)成功率和風(fēng)險(xiǎn)之間的權(quán)衡；g是約束函數(shù)，表示策略s必須滿足的約束條件，如飛行器性能限制、安全要求等；飛行狀態(tài)包括飛行器的位置、速度、姿態(tài)等狀態(tài)信息；冗余配置指的是在故障發(fā)生后，飛行器的剩余可調(diào)度的冗余資源；

38、其中，步驟七所述的模擬控制器故障通過(guò)編程設(shè)定，在模擬環(huán)境中對(duì)飛控系統(tǒng)的使能信號(hào)引入預(yù)設(shè)信號(hào)模式，從而模擬控制器在實(shí)際運(yùn)行中遇到的突變故障；使能信號(hào)的跳變觸發(fā)飛控系統(tǒng)的故障檢測(cè)機(jī)制，進(jìn)而激活預(yù)設(shè)的容錯(cuò)控制策略。

39、其中，步驟八所述的冗余控制器表決邏輯，具體包括：在三個(gè)冗余控制器中，根據(jù)其性能、可靠性的因素，為每個(gè)控制器分配優(yōu)先級(jí)；在正常工作時(shí)，高優(yōu)先級(jí)的控制器起主導(dǎo)作用，而在故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級(jí)順序切換到其他控制器。

40、其中，步驟九所述的驗(yàn)證冗余控制器表決邏輯通過(guò)模擬三余度均正常的工況和故障工況來(lái)驗(yàn)證；故障工況包括：向飛控系統(tǒng)分別注入第一個(gè)飛控故障，驗(yàn)證表決機(jī)制輸出邏輯；注入第一個(gè)飛控和第二個(gè)飛控故障，驗(yàn)證表決機(jī)制輸出為第三個(gè)飛控輸出。

41、本發(fā)明的第二個(gè)方面涉及一種飛行器飛控系統(tǒng)的分層架構(gòu)故障容錯(cuò)裝置，包括存儲(chǔ)器和一個(gè)或多個(gè)處理器，所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有可執(zhí)行代碼，所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行所述可執(zhí)行代碼時(shí)，用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一種飛行器飛控系統(tǒng)的分層架構(gòu)故障容錯(cuò)方法。

42、本發(fā)明的第三個(gè)方面涉及一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有程序，該程序被處理器執(zhí)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一種飛行器飛控系統(tǒng)的分層架構(gòu)故障容錯(cuò)方法。

43、本發(fā)明的核心創(chuàng)新在于采用一種多層次、模塊化的容錯(cuò)設(shè)計(jì)理念，以顯著提高飛控系統(tǒng)的魯棒性。具體實(shí)施策略如下：本發(fā)明配置多余度飛控硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵組件的冗余。在部分系統(tǒng)組件發(fā)生故障時(shí)，其余的冗余組件能夠立即接管，確保飛行器能夠維持基本的飛行功能，從而保障飛行安全。在軟件方面，本發(fā)明引入了一種先進(jìn)的分層容錯(cuò)策略，該策略能夠在飛行過(guò)程中對(duì)執(zhí)行器、飛控控制器等關(guān)鍵組件的潛在故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和有效處理，確保了故障發(fā)生時(shí)的快速響應(yīng)和系統(tǒng)恢復(fù)。通過(guò)軟硬件的深度融合，本發(fā)明不僅顯著增強(qiáng)了飛控系統(tǒng)的容錯(cuò)性能，而且為系統(tǒng)的安全性和可靠性提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和創(chuàng)新的技術(shù)支撐。設(shè)計(jì)的飛行器系統(tǒng)分層容錯(cuò)架構(gòu)可分為四層，從下向上依次包括底層故障檢測(cè)單元層、控制策略調(diào)整單元層、軌跡重規(guī)劃單元層和頂層任務(wù)重構(gòu)單元層。最后，分別通過(guò)執(zhí)行器故障和控制器故障的模擬來(lái)驗(yàn)證和說(shuō)明。

44、本發(fā)明設(shè)計(jì)的這種分層架構(gòu)的故障容錯(cuò)控制策略通過(guò)逐層分析和評(píng)估，確保在關(guān)鍵系統(tǒng)組件失效時(shí)，備用系統(tǒng)能夠迅速且無(wú)縫地接管控制權(quán)。這種分層控制策略不僅提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。通過(guò)上述創(chuàng)新技術(shù)和方法的整合應(yīng)用，本發(fā)明不僅為低空載人飛行器提供了一個(gè)高安全性和高可靠性的飛控系統(tǒng)，而且為飛行器在復(fù)雜和不確定的運(yùn)營(yíng)環(huán)境中的安全運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)支撐。本發(fā)明的實(shí)施，將為低空載人飛行器的商業(yè)化和普及化開(kāi)辟新的道路，推動(dòng)航空產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展，同時(shí)為未來(lái)城市空中交通的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)保障。本發(fā)明在設(shè)計(jì)上突破了傳統(tǒng)局限，構(gòu)建一個(gè)整合性的分層架構(gòu)體系，采用從局部到全局的方法論。這種方法不僅關(guān)注單個(gè)組件的魯棒性，而且還著眼于整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，確保在局部故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)能夠通過(guò)全局協(xié)調(diào)機(jī)制維持飛行器的安全飛行和穩(wěn)定操控。通過(guò)這種綜合考慮的方法，本發(fā)明的解決方案能夠全面提高飛控系統(tǒng)的性能，增強(qiáng)其在面對(duì)各種故障和異常情況時(shí)的適應(yīng)性和恢復(fù)力。

45、本發(fā)明的有益效果是：

46、（1）多余度飛控硬件架構(gòu)：通過(guò)設(shè)計(jì)多余度飛控硬件架構(gòu)，即使單個(gè)飛控單元的可靠度較低，整體系統(tǒng)也能通過(guò)冗余設(shè)計(jì)滿足嚴(yán)格的安全指標(biāo)。這種設(shè)計(jì)不僅顯著提升了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，而且還增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)于潛在故障的容錯(cuò)能力。在關(guān)鍵的控制單元和計(jì)算資源中實(shí)施了硬件冗余，確保了在面臨部分硬件故障時(shí)，系統(tǒng)仍能維持正常運(yùn)行，減少了系統(tǒng)或設(shè)備的故障概率，從而提高了整個(gè)飛控系統(tǒng)的可靠性。此外，這種冗余設(shè)計(jì)還允許系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)快速切換到備用單元，最小化故障對(duì)飛行任務(wù)的影響，確保飛行器在各種情況下都能安全運(yùn)行，為飛行器提供了更高水平的保障。

47、（2）分層容錯(cuò)控制架構(gòu)：在硬件冗余的基礎(chǔ)上，本發(fā)明進(jìn)一步提出了一種分層容錯(cuò)控制架構(gòu)。該架構(gòu)通過(guò)快速檢測(cè)并定位故障，并匹配相應(yīng)的安全控制策略和容錯(cuò)方法，實(shí)現(xiàn)了逐級(jí)響應(yīng)和有效實(shí)施容錯(cuò)過(guò)程。飛行器系統(tǒng)的分層容錯(cuò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，從下至上分為四個(gè)層次：首先是底層的故障檢測(cè)單元層，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控和初步診斷；其次是控制策略調(diào)整單元層，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果調(diào)整控制算法以適應(yīng)故障情況；接著是軌跡重規(guī)劃單元層，對(duì)飛行器的飛行軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整以規(guī)避故障影響；最后是頂層的任務(wù)重構(gòu)單元層，負(fù)責(zé)在必要時(shí)對(duì)整個(gè)飛行任務(wù)進(jìn)行重新規(guī)劃和決策。這種分層的方法確保了系統(tǒng)在面對(duì)不同層級(jí)和類(lèi)型的故障時(shí)，都能做出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，保持飛行器的飛行安全和任務(wù)的連續(xù)性。