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)，具體地說是一種基于分層架構(gòu)的飛行器飛控系統(tǒng)故障容錯方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、智能運載工具的設(shè)計與制造，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，提高城市運行效率。隨著城市化進程的加速，城市人口密度不斷增加，交通擁堵問題日益凸顯，尤其是在一線城市。傳統(tǒng)的城市交通方式已經(jīng)難以滿足日益增長的出行需求，亟需一種新型的交通方式來改善現(xiàn)狀。低空經(jīng)濟具有巨大的發(fā)展?jié)摿褪袌隹臻g，有望成為推動經(jīng)濟增長的新引擎。電動垂直起降飛行器作為一種新型的城市空中交通載具，以其獨特的優(yōu)勢和潛力，為解決城市交通擁堵問題提供了新的思路和解決方案。與傳統(tǒng)的直升機相比，該飛行器具有更低的運營成本和維護難度，更加環(huán)保和高效。其電力驅(qū)動方式大幅降低了對航空燃油的依賴，減少了碳排放，符合綠色發(fā)展的要求。此外，電動垂直起降飛行器的噪聲水平較低，對城市環(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，使得其能夠在城市中心等狹小空間進行起降，為大型客機運輸乘客提供了"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，面對運行場景的復(fù)雜性、空中運行的風(fēng)險性以及運營環(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。為了達到這一目標(biāo)，國際航空監(jiān)管機構(gòu)設(shè)定了嚴格的安全標(biāo)準。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整機的安全運行至關(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)故障容錯方法，以應(yīng)對飛行過程中可能出現(xiàn)的各種異常情況，確保飛行器在面對故障或異常時仍能保持穩(wěn)定的飛行性能。分層容錯架構(gòu)設(shè)計的核心在于通過系統(tǒng)的冗余、模塊化和分層控制來增強系統(tǒng)的可靠性和容錯能力。傳統(tǒng)的設(shè)計中，系統(tǒng)的各個部分高度集成，相互依賴，一個部分的故障可能會影響到整個系統(tǒng)，難以進行局部的修復(fù)或替換。容錯設(shè)計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制來應(yīng)對不同的故障情況，缺乏自適應(yīng)和自愈能力。傳統(tǒng)的設(shè)計方式屬于靜態(tài)設(shè)計，與分層容錯架構(gòu)的動態(tài)和靈活設(shè)計相反，靜態(tài)設(shè)計無法根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)或環(huán)境變化進行調(diào)整，缺乏應(yīng)對突發(fā)事件的能力。

3、當(dāng)前，我國在推廣低空載人飛行器并確保其安全應(yīng)用的過程中，面臨的一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)是缺乏一套成熟可靠的一體化容錯控制策略解決方案。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)，從而制約了整個行業(yè)的健康發(fā)展。缺乏有效的容錯控制策略，意味著飛行器在遇到意外情況時可能無法及時做出反應(yīng)，這不僅增加了事故風(fēng)險，也降低了公眾對低空載人飛行器安全性的信任度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

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

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)故障容錯方法。這種策略通過在不同層次上實施容錯機制，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行。該策略包括但不限于實時監(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各種異常情況時的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。通過實施這種創(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，還將為我國先進空中交通飛行器產(chǎn)業(yè)的落地和發(fā)展提供強有力的技術(shù)支撐，加速產(chǎn)業(yè)的成熟和市場的認可。這項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，而且在實際應(yīng)用中具有廣闊的前景，能夠直接促進相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)的升級。隨著這項研究的深入，預(yù)期將為我國乃至全球的低空載人飛行器安全應(yīng)用提供堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，推動相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準的制定，為未來城市空中交通的實現(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)計三個獨立運行的飛控通道；設(shè)計飛行器系統(tǒng)分層容錯架構(gòu)；模擬執(zhí)行器故障，并進行飛行器重構(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；針對控制器故障，設(shè)計冗余控制器表決邏輯；注入控制器故障，設(shè)計實驗驗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)通過增加系統(tǒng)的冗余性，提升了單個飛控系統(tǒng)的魯棒性。

4、本發(fā)明的第一個方面涉及一種飛行器飛控系統(tǒng)的分層架構(gòu)故障容錯方法，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)計三個獨立運行的飛控通道，通過三余度表決機制，在遭遇一次或兩次飛控計算機故障的情況下，飛行器仍能夠維持安全飛行；

6、步驟二：設(shè)計飛行器系統(tǒng)分層容錯架構(gòu)，從下向上依次包括底層故障檢測單元層、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，并進行飛行器執(zhí)行器故障注入；

8、步驟四：針對執(zhí)行器故障，設(shè)計一種基于執(zhí)行器控制命令信號差的卡爾曼濾波故障檢測方法；

9、步驟五：將執(zhí)行器故障檢測算法的檢測結(jié)果傳遞給控制器，采用基于增益調(diào)度的控制方法進行執(zhí)行器在飛控系統(tǒng)的故障容錯響應(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：針對控制器故障，設(shè)計冗余控制器表決邏輯；

13、步驟九：注入控制器故障，設(shè)計實驗驗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)分層容錯架構(gòu)；通過分層設(shè)計，實現(xiàn)故障管理的系統(tǒng)化和遞進式控制；從局部故障的即時識別與處理，平滑過渡到對飛行器全局任務(wù)的實時適應(yīng)性調(diào)整。

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

16、??????????????????????????????（1）

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

18、其中，步驟四所述的針對執(zhí)行器故障，設(shè)計一種基于執(zhí)行器控制命令信號差的卡爾曼濾波故障檢測方法，具體包括：

19、以四旋翼飛行器來驗證故障檢測方法，在第四個電機中注入執(zhí)行器故障信號；計算第二執(zhí)行器控制命令信號和第四執(zhí)行器控制命令信號的差值，并取絕對值：

20、?????????????????????????（2）

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

22、???????????????????????（3）

23、??????????????????????（4）

24、為控制器輸出信號差值，為狀態(tài)變量；a和c為單位陣，為過程噪聲，方差為q，為測量噪聲，方差為r，k表示時刻；卡爾曼濾波的狀態(tài)變量后驗估計為：

25、??（5）

26、式（5）表示狀態(tài)變量x(k)的卡爾曼濾波器估計，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)的先驗狀態(tài)誤差協(xié)方差；最后檢測環(huán)節(jié)將x(k|k)與設(shè)定閾值對比，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、在檢測到執(zhí)行器故障時，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，調(diào)節(jié)飛行器的力矩變化。

34、其中，所述步驟六通過頂層任務(wù)重構(gòu)實現(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(s)是基于策略s的任務(wù)失敗概率；是一個權(quán)重參數(shù)，用于平衡任務(wù)成功率和風(fēng)險之間的權(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編程設(shè)定，在模擬環(huán)境中對飛控系統(tǒng)的使能信號引入預(yù)設(shè)信號模式，從而模擬控制器在實際運行中遇到的突變故障；使能信號的跳變觸發(fā)飛控系統(tǒng)的故障檢測機制，進而激活預(yù)設(shè)的容錯控制策略。

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

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

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

42、本發(fā)明的第三個方面涉及一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有程序，該程序被處理器執(zhí)行時，實現(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、模塊化的容錯設(shè)計理念，以顯著提高飛控系統(tǒng)的魯棒性。具體實施策略如下：本發(fā)明配置多余度飛控硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過模塊化設(shè)計實現(xiàn)關(guān)鍵組件的冗余。在部分系統(tǒng)組件發(fā)生故障時，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)明引入了一種先進的分層容錯策略，該策略能夠在飛行過程中對執(zhí)行器、飛控控制器等關(guān)鍵組件的潛在故障進行實時監(jiān)測和有效處理，確保了故障發(fā)生時的快速響應(yīng)和系統(tǒng)恢復(fù)。通過軟硬件的深度融合，本發(fā)明不僅顯著增強了飛控系統(tǒng)的容錯性能，而且為系統(tǒng)的安全性和可靠性提供了堅實的理論基礎(chǔ)和創(chuàng)新的技術(shù)支撐。設(shè)計的飛行器系統(tǒng)分層容錯架構(gòu)可分為四層，從下向上依次包括底層故障檢測單元層、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，分別通過執(zhí)行器故障和控制器故障的模擬來驗證和說明。

44、本發(fā)明設(shè)計的這種分層架構(gòu)的故障容錯控制策略通過逐層分析和評估，確保在關(guān)鍵系統(tǒng)組件失效時，備用系統(tǒng)能夠迅速且無縫地接管控制權(quán)。這種分層控制策略不僅提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，也增強了系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。通過上述創(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)雜和不確定的運營環(huán)境中的安全運行提供了堅實的理論和技術(shù)支撐。本發(fā)明的實施，將為低空載人飛行器的商業(yè)化和普及化開辟新的道路，推動航空產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展，同時為未來城市空中交通的實現(xiàn)提供了技術(shù)保障。本發(fā)明在設(shè)計上突破了傳統(tǒng)局限，構(gòu)建一個整合性的分層架構(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，系統(tǒng)能夠通過全局協(xié)調(diào)機制維持飛行器的安全飛行和穩(wěn)定操控。通過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，增強其在面對各種故障和異常情況時的適應(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)：通過設(shè)計多余度飛控硬件架構(gòu)，即使單個飛控單元的可靠度較低，整體系統(tǒng)也能通過冗余設(shè)計滿足嚴格的安全指標(biāo)。這種設(shè)計不僅顯著提升了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，而且還增強了系統(tǒng)對于潛在故障的容錯能力。在關(guān)鍵的控制單元和計算資源中實施了硬件冗余，確保了在面臨部分硬件故障時，系統(tǒng)仍能維持正常運行，減少了系統(tǒng)或設(shè)備的故障概率，從而提高了整個飛控系統(tǒng)的可靠性。此外，這種冗余設(shè)計還允許系統(tǒng)在發(fā)生故障時快速切換到備用單元，最小化故障對飛行任務(wù)的影響，確保飛行器在各種情況下都能安全運行，為飛行器提供了更高水平的保障。

47、（2）分層容錯控制架構(gòu)：在硬件冗余的基礎(chǔ)上，本發(fā)明進一步提出了一種分層容錯控制架構(gòu)。該架構(gòu)通過快速檢測并定位故障，并匹配相應(yīng)的安全控制策略和容錯方法，實現(xiàn)了逐級響應(yīng)和有效實施容錯過程。飛行器系統(tǒng)的分層容錯架構(gòu)設(shè)計，從下至上分為四個層次：首先是底層的故障檢測單元層，負責(zé)實時監(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，對飛行器的飛行軌跡進行動態(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，負責(zé)在必要時對整個飛行任務(wù)進行重新規(guī)劃和決策。這種分層的方法確保了系統(tǒng)在面對不同層級和類型的故障時，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。