高度传感器在无人直升机上的应用及故障分析

摘要：为了预防无人直升机使用过程中发生与高度传感器相关的故障，减小飞行安全事故的可能性，针对某型无人直升机在执行任务中发生的一次飞行故障，结合高度传感器的工作原理和在无人机飞行控制中的应用，采用可靠性分析中的故障树的方法，分析了存在的故障原因。最后针对出现的高度传感器故障原因提出了解决和预防的方法。
关键词：无人机；高度传感器；传感器故障；故障树

0 引言
    小型无人直升机在民用领域以及国防建设中有着广泛的应用前景，其安全可靠性也越来越受到人们的重视。而保证微小型无人直升机安全飞行的前提则是机载传感器系统的可靠性。机载传感器是飞控系统的基础部件，也是最容易产生故障的环节之一。由于机载传感器工作在高温强振动的环境下，极易引起传感器性能不稳定并引发故障。高度计是飞行器中重要的传感器，对于飞行器的安全飞行与自主控制具有十分重要的作用，在日常使用无人直升机的过程中，发生过因为高度传感器失灵，导致的飞行事故。本文对高度传感器在无人直升机中的应用进行研究，分析造成这一事故的原因，并提出了解决办法。

1 高度传感器在无人直升机飞控中的重要作用
1．1 常用的测量高度方法
    用来测量飞行高度的方法有很多种，根据不同的测量原理可以测量出不同定义下的飞行高度。常用的有以下几种：
    (1)利用无线电波反射特性来测量飞行高度的方法，是将高度测量转换为对时间的测量。电磁波在空中以光速c传播且碰到地面能够反射。因此，装在飞机上的无线电发射机将电磁波发射到地面后，机上接收机的天线经△t时间收到反射波，根据△t可测出飞机的真实飞行高度H。
    (2)通过测量飞机垂直地面运动的线加速度来测量飞行高度，飞机相对于地面的垂向运动的距离(高度)h、速度V和加速度ay间的关系如式(1)所示：
   
    (3)通过测量大气参数来测量飞行高度，在重力场内大气的压力、大气密度均随高度增高而减小，尽管各自的变化规律不同，但却都是有规律可循的，于是，可以通过测量大气压力或大气密度来间接测量飞行高度。
    在使用的无人机上使用的高度传感器，选用的是第三类方法的传感器。其是由Honeywell公司生产的HPA200-W2DB高度传感器，是一种硅压阻式压力传感器，具有灵敏度高、后续电路简单且集成化程度高、综合精度较高、无传动部件、性能稳定、可靠性高、体积小、质量轻，以及使用方便等优点，很适合在无人机上的应用。
1．2 高度传感器的工作原理
    为了统一评估飞机的动力学特性，比较和计算飞行状态，世界各主要航空国家制定了一种假想的标准大气模型。该模型排除了地理坐标、季节和昼夜等因素对大气物理特性的影响，认为大气的温度、密度和压强随高度按固定的规律变化。因此，可以利用大气压强数值计算无人机的飞行高度。
    标准气压——高度公式为：
   
    式中：PH为高度H下的气压；β为温度梯度；g为重力加速度；R为空气专用气体常数；Tb，Hb，Pb为高度分层中相应层的大气温度、标准气压高度和气压的下限值。本文所论述的系统应用于低空飞行的某小型无人机，飞行高度小于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；根据相关文献提出的大气温度、高度及压强分层的方法，选取Tb，Hb，Pb的值。
    测得气压值后，代入式(2)可计算出无人机飞行高度。
1．3 高度传感器的数据在飞控系统中的应用
    直升机的垂向控制是通过控制主旋翼的升力而实现的，垂向控制的高度信息和垂向速度信息就来自于高度传感器，记录下地面的气压，和直升机的飞行时气压值进行比较，由于飞的越高压力越低，通过两者之间的差就能计算出直升机当前的高度。通过高度的变化，就可以计算出垂向的速度，一旦高度传感器出现故障，无人直升机的垂向控制系统就会I叶j现问题，导致严重的事故。垂向控制回路，如图1所示。

2 高度传感器的故障现象及原因分析
    某型无人直升机在进行飞行时，突然发生高度显示失灵，无人直升机失去控制，截图如图2所示。
    对事故点的高度传感器高度数据进行截取，分析数据，绘制高度变化曲线如图3所示。

    由图2和图3可以看出，无人直升机在飞行过程中，突然高度数据丢失，按照可靠性分析中的故障树方法，列举出可能造成故障的原因如图4所示。
    根据发生故障时和飞机回收后地面测试的情况分析，发生的高度数据丢失有如下特点：
    (1)故障发生在飞行过程中，且属于突然发生，高度数据卡死，不再发生变化，而且出现故障后无人直升机没能自行修复故障。
    (2)地面测试时，重新开关机可以使无人机通过自检，高度数据显示恢复正常。断开传感器连线，出现数据丢失，不关机情况下重新连接，高度数据不能恢复。
    (3)发生故障时的环境情况，没有发现突发性天气变化，气象条件符合飞行要求。
    从无人直升机飞行的气象要求来看，当天的飞行完全符合飞行要求，事故发生后气象部门，立即组织人员和装备到发生事故的地点进行了连续的观测，从气象部门反馈的数据和提供的意见可以看出，当天飞行期间，并没有出现风切变一类的突然天气变化。气象因素的影响很小。
    通过前期的很多飞行来看，并没有出现此类问题，应该说飞行的航线上没有能够干扰到遥测遥控信号的固定的遮挡物和干扰物。事故发生后，研究厂家的人员到事故现场用场强仪进行测试，也没有发现干扰问题。在无人机出现故障的时刻，对无人机发出爬升盘旋指令，无人直升机能够执行，同时陀螺状态、GPS数据、航向数据等全部正常显示，从地面链路的监控设备上的信号强度来看，遥测设备信号正常。无人直升机回收后，地面重新进行和地面设备进行调试，一切数据均正常，地面遥测并没有出现故障。
    对无人机在地面进行测试，在地面重新启动无人直升机，设备能够进行自检通过，并能够获得高度数据，然后断开高度传感器，高度数据故障，再连接上高度传感器，这时高度数据仍然故障，重新关机开机后，自检能够通过高度数据正常。可以判断在空中故障时，高度传感器硬件可能发生故障，高度传感器不稳定或者连接线路松动的可能性较大，同时在飞控软件上没能考虑空中传感器故障后，需要重新自检以便硬件问题解决后，自行恢复显示和提供数据的问题。

3 同类问题解决办法
    (1)飞行前的准备工作要充分细致，加强飞机的维护保养和飞行前的检查工作，严格落实好飞行前准备规范对于高度传感器的检查项目，减少飞机震动和空中环境变化，引起的接触不良和硬件故障。
    (2)按照使用时限及时请专业人员对无人机上的传感器设备进行检测和维修，如果达到返场时限，要及时返场，需要更换的要及时更换，确保传感器的稳定性，保障飞行安全。
    (3)及时更新飞控程序版本，在发现飞控软件漏洞时，应当及时进行更正。研发厂家在研发和飞行过程中也在不断的总结问题，对无人直升机的飞控程序不断的完善更新，新的飞控程序要更加稳定可靠，在使用过程中要及时联系研发单位，及时更新飞控程序到最新版本。
    在使用过程中在高度传感器出现故障后，高度传感器卡死，不能再次自动检测，需要重新开关机才能进行自检，要解决这一个问题需要在飞控软件中，增加出现故障后自动执行高度传感器自动检测的程序，防止高度数据失灵。简单的程序更改就可实现，在飞控软件中加入一小段程序，实现实时监控高度传感器数据，一旦发生数据丢失时，发出指令返回自检程序从新执行自检。

4 结语
    高度传感器作为无人直升机上的一个重要传感器，在飞行控制中作用重要，研究高度传感器的原理和在无人机控制中的应用对于了解无人机很有意义。针对某型号无人直升机在一次飞行中出现的故障，采用可靠性分析的方法对其进行了全面的分析，通过分析找到了这次故障的原因，高度传感器的不稳定和飞控软件上的一些问题，结合故障发生的过程和后期的处理方法，分析原因，有针对性地提出了预防此类问题的措施，为今后有效地预防此类问题，提高飞行的安全性与可靠性提供了参考，从而降低了飞行事故的发生。