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专利号: 2024104870375
申请人: 中南大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-05-17
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种飞控传感器故障仿真方法,其特征在于,包括如下步骤:S1:构建飞控传感器芯片级模型,包括建立用于描述传感器芯片电路逻辑行为的传感器测量模型,以及用于描述传感器微机系统模数转换功能和通信功能的传感器通信模型;

S2:基于飞控传感器芯片级模型构建传感器故障模型;

S3:基于传感器故障模型设定故障参数和故障用例时间,以实现传感器故障注入仿真;

所述传感器测量模型包括:

加速度计测量模型表示如下:

式中, 表示加速度测量值向量, 表示真实加速度向量, 表示加速度计线性比例误差因子, 表示加速度计由于加工过程引起的跨轴耦合误差矩阵, 表示加速度偏置向量, 表示加速度测量噪声向量;

角速度计测量模型表示如下:

式中, 表示角速度测量值向量, 表示真实角速度向量, 表示角速度计线性比例误差因子, 表示角速度计由于加工过程引起的跨轴耦合误差矩阵, 表示角速度偏置向量, 表示角速度测量噪声向量;

磁力计测量模型表示如下:

式中, 表示角速度测量值向量, 表示真实角速度向量, 表示角速度计线性比例误差因子, 表示角速度计由于加工过程引起的跨轴耦合误差矩阵, 表示角速度偏置向量, 表示角速度测量噪声向量;

气压计测量模型表示如下:

式中, 表示气压测量值, 表示真实气压值, 表示气压计线性比例误差因子, 表示气压偏置, 表示气压测量噪声;

GPS接收机模型表示如下:

式中, 表示位置测量值, 表示真实位置, 表示位置测量值线性比例误差因子, 表示位置偏置向量, 表示位置测量噪声; 表示速度测量值, 表示真实速度, 表示速度测量噪声;

传感器故障模型包括如下故障模型中的一种或多种:比例因子故障 模型表示如下:

式中, 取 、 、 、 、 ; 表示比例因子故障参数;下标i取a、g、m、p、GPS;

偏置因子故障 模型表示如下:

式中, 取 、 、 、 、 ; 表示偏置因子故障参数;下标j取a、g、m、p、GPS;

噪声因子故障 模型表示如下:

式中, 取 、 、 、 、 、 ; 表示噪声因子故障参数;下标q取a、g、m、p、GPS、V;

漂移故障 模型表示如下:

式中, 取 、 、 、 、 ;为系统仿真时间,为故障开始时间; 为漂移故障参数,下标l取a、g、m、p、GPS;

冲击故障 模型表示如下:

式中, 为故障持续时间, 表示预设比例因子阈值, 表示预设极短时间;冲击故障用于模拟由于高能粒子冲击导致传感器受到巨大冲击,当 取值超过预设比例因子阈值,且 取值小于预设极短时间表示有故障;

开路‑短路故障 模型表示如下:

式中, 为模拟传感器芯片引脚电平信号,传感器包括加速度计、角速度计、磁力计、气压计、GPS接收机;“ ”表示与运算,“”表示或运算;当开路因子 时处于开路故障,当短路因子 时处于短路故障。

2.根据权利要求1所述的飞控传感器故障仿真方法,其特征在于,所述传感器通信模型采用有限状态机方法进行建模,传感器通信模型建模原理如下:分为如下三个状态:

初始化状态:该状态用于初始化寄存器;

空闲状态:该状态用于更新数据寄存器,为下一次进入接收/发送状态提供传感器数据;

接收/发送状态:该状态用于传感器数据的读取/写入。

3.根据权利要求2所述的飞控传感器故障仿真方法,其特征在于,还包括:采用有限状态机方法完成PWM测量模型建模,PWM测量模型用于测量飞控输出执行器PWM控制量信号占空比,PWM测量模型分为四个状态:高电平转低电平边沿状态:当前时刻引脚电平小于前一时刻电平时进入该状态,读取计时器并记录高电平时间;

低电平阶段状态:当前时刻引脚电平等于低电平时进入该状态,开始进入该状态时重置计时器;

低电平转高电平边沿状态:当前时刻引脚电平大于前一时刻电平时进入该状态,读取计时器并记录低电平时间;

高电平阶段状态:当前时刻引脚电平等于高电平时进入该状态,开始进入该状态时重置计时器。

4.根据权利要求1所述的飞控传感器故障仿真方法,其特征在于,步骤S3具体包括:根据传感器故障模型得到故障参数;

通过修改故障参数和设定注入开始时间和结束时间生成故障用例;

将故障用例注入实时仿真平台,进行传感器故障注入仿真。

5.一种飞控传感器故障仿真平台,其特征在于,包括:处理器,其上部署有无人机载具模型、传感器测量模型以及不包括开路‑短路故障模型的传感器故障模型;

FPGA单元,其上部署有传感器通信模型,或其上同时部署有传感器通信模型和开路‑短路故障模型;

其中,所述传感器测量模型用于描述传感器芯片电路逻辑行为,所述传感器通信模型用于描述传感器微机系统模数转换功能和通信功能;

所述传感器测量模型包括:

加速度计测量模型表示如下:

式中, 表示加速度测量值向量, 表示真实加速度向量, 表示加速度计线性比例误差因子, 表示加速度计由于加工过程引起的跨轴耦合误差矩阵, 表示加速度偏置向量, 表示加速度测量噪声向量;

角速度计测量模型表示如下:

式中, 表示角速度测量值向量, 表示真实角速度向量, 表示角速度计线性比例误差因子, 表示角速度计由于加工过程引起的跨轴耦合误差矩阵, 表示角速度偏置向量, 表示角速度测量噪声向量;

磁力计测量模型表示如下:

式中, 表示角速度测量值向量, 表示真实角速度向量, 表示角速度计线性比例误差因子, 表示角速度计由于加工过程引起的跨轴耦合误差矩阵, 表示角速度偏置向量, 表示角速度测量噪声向量;

气压计测量模型表示如下:

式中, 表示气压测量值, 表示真实气压值, 表示气压计线性比例误差因子, 表示气压偏置, 表示气压测量噪声;

GPS接收机模型表示如下:

式中, 表示位置测量值, 表示真实位置, 表示位置测量值线性比例误差因子, 表示位置偏置向量, 表示位置测量噪声; 表示速度测量值, 表示真实速度, 表示速度测量噪声;

传感器故障模型包括如下故障模型中的一种或多种:比例因子故障 模型表示如下:

式中, 取 、 、 、 、 ; 表示比例因子故障参数;下标i取a、g、m、p、GPS;

偏置因子故障 模型表示如下:

式中, 取 、 、 、 、 ; 表示偏置因子故障参数;下标j取a、g、m、p、GPS;

噪声因子故障 模型表示如下:

式中, 取 、 、 、 、 、 ; 表示噪声因子故障参数;下标q取a、g、m、p、GPS、V;

漂移故障 模型表示如下:

式中, 取 、 、 、 、 ;为系统仿真时间,为故障开始时间; 为漂移故障参数,下标l取a、g、m、p、GPS;

冲击故障 模型表示如下:

式中, 为故障持续时间, 表示预设比例因子阈值, 表示预设极短时间;冲击故障用于模拟由于高能粒子冲击导致传感器受到巨大冲击,当 取值超过预设比例因子阈值,且 取值小于预设极短时间表示有故障;

开路‑短路故障 模型表示如下:

式中, 为模拟传感器芯片引脚电平信号,传感器包括加速度计、角速度计、磁力计、气压计、GPS接收机;“ ”表示与运算,“”表示或运算;当开路因子 时处于开路故障,当短路因子 时处于短路故障。

6.根据权利要求5所述的飞控传感器故障仿真平台,其特征在于,所述FPGA单元还部署有用于测量飞控输出执行器PWM控制量信号占空比的PWM测量模型。

7.一种飞控传感器故障仿真系统,其特征在于,包括:如权利要求5或6所述的飞控传感器故障仿真平台;

飞控:其与所述飞控传感器故障仿真平台通信连接,实现仿真传感器数据与PWM信号的传输;

主机;其上部署有视景软件、地面站、故障注入工具;所述主机与所述飞控传感器故障仿真平台通信连接,实现飞行模拟数据和故障用例注入命令的传输;所述主机还与所述飞控通信连接,实现任务规划和飞控数据的传输;其中,故障用例通过设定故障参数和故障用例时间生成。

8.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述的飞控传感器故障仿真方法。