本發(fā)明屬于航空系統(tǒng)故障檢測(cè)領(lǐng)域，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)舵機(jī)自動(dòng)和手動(dòng)的故障檢測(cè)，即進(jìn)行有效的舵機(jī)測(cè)試。

背景技術(shù)：

目前，舵機(jī)的測(cè)試主要為人工測(cè)試，需要由專家或者經(jīng)驗(yàn)豐富的維修人員對(duì)舵機(jī)進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試過程有很多不確定性，比如測(cè)試時(shí)的環(huán)境，測(cè)試人員的身體狀態(tài)都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。另外，人工測(cè)試的效率也較低，首先測(cè)試人員不可能24小時(shí)工作，而且每次測(cè)試的時(shí)間也較長(zhǎng)，這兩個(gè)方面的原因致使其效率很難有較大提高。所以，人工測(cè)試必將退出歷史舞臺(tái)。

故障診斷技術(shù)在近十年間發(fā)展迅速，其對(duì)提高系統(tǒng)的可靠性有著巨大幫助。故障診斷方法可以分為三種：基于數(shù)學(xué)模型的方法、基于信號(hào)處理的方法、基于人工智能的方法。其主要任務(wù)可分為故障檢測(cè)、故障診斷和故障的評(píng)價(jià)與決策。從信號(hào)轉(zhuǎn)變的角度可以分為：測(cè)量空間、特征空間、判斷空間和分類空間。其工作的過程如下，故障診斷系統(tǒng)從系統(tǒng)中提取故障信號(hào)進(jìn)行故障信息的分析檢測(cè)、估計(jì)、隔離。最后，根據(jù)所得結(jié)果對(duì)故障進(jìn)行評(píng)價(jià)，并發(fā)生相應(yīng)的動(dòng)作。

在電力電子技術(shù)方面，目前該領(lǐng)域技術(shù)已相當(dāng)先進(jìn)，尤其MEMS器件的應(yīng)用越來越廣泛，MEMS技術(shù)的發(fā)展開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

本發(fā)明結(jié)合目前相關(guān)先進(jìn)技術(shù)，采用基于模型的故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的智能檢測(cè)，大大提高了舵機(jī)測(cè)試的效率，改善了舵機(jī)測(cè)試的可靠性。而且舵機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，可靠、穩(wěn)定的舵機(jī)也將使得相關(guān)裝置的可靠性和穩(wěn)定性顯著提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1、發(fā)明目的

針對(duì)合民用飛機(jī)總裝飛行控制分系統(tǒng)舵機(jī)測(cè)試的需求，依托飛機(jī)制造工程技術(shù)研究中心創(chuàng)新基金項(xiàng)目“民用飛機(jī)飛控系統(tǒng)故障注入與故障測(cè)試技術(shù)研究”，力求改善舵機(jī)測(cè)試的效率和準(zhǔn)確性，本發(fā)明主要功能是對(duì)舵機(jī)性能、狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給定控制信號(hào)，自動(dòng)控制舵面偏轉(zhuǎn)，自動(dòng)測(cè)量與顯示測(cè)試結(jié)果。使系統(tǒng)具有良好的通用性、移植性和擴(kuò)展性，提高舵機(jī)測(cè)試的自動(dòng)化程度和精確程度。

2、技術(shù)方案

本發(fā)明由以下幾個(gè)部分組成：

1)微處理器，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)規(guī)則判斷舵機(jī)的健康狀況。

2)顯示模塊，將重要的數(shù)據(jù)及結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、易操作的交互界面。

3)測(cè)量舵機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)并傳輸?shù)教幚砥饕詫?shí)現(xiàn)舵機(jī)故障檢測(cè)。

4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，將獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來，以便后續(xù)進(jìn)行深入分析。

本發(fā)明的工作過程如下：微處理器首先發(fā)出初始化指令，使得各個(gè)部分處于準(zhǔn)備狀態(tài)，然后，發(fā)出校準(zhǔn)指令對(duì)舵機(jī)測(cè)試裝置校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后便可進(jìn)行相關(guān)操作以實(shí)施自動(dòng)或者手動(dòng)的舵機(jī)測(cè)試功能。

3、有益效果

本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)兩種測(cè)試模式，即手動(dòng)測(cè)試模式和自動(dòng)測(cè)試模式，當(dāng)對(duì)大批量舵機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí)可以使用自動(dòng)測(cè)試模式以提高舵機(jī)測(cè)試的效率，在對(duì)單個(gè)或者少數(shù)的舵機(jī)進(jìn)行全面測(cè)試時(shí)可以采用手動(dòng)測(cè)試的模式以滿足要求。本發(fā)明很好地考慮了實(shí)際測(cè)試的要求，并實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)測(cè)試的自動(dòng)化、智能化。對(duì)提高舵機(jī)的可靠性及舵機(jī)應(yīng)用裝置的可靠性上都有很大幫助。另外，本發(fā)明的交互設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、易操作，即使非專業(yè)人員也很容易上手測(cè)試，這提高了本發(fā)明的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)其推廣到實(shí)際應(yīng)用有重要意義。

附圖說明

圖1為PWM信號(hào)圖。

圖2為按鍵功能結(jié)構(gòu)圖。

圖3殘差產(chǎn)生結(jié)構(gòu)圖。

圖4系統(tǒng)加入故障時(shí)仿真結(jié)果。

圖5故障時(shí)殘差響應(yīng)曲線。

圖6舵機(jī)測(cè)試儀結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明包括模塊如下：微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、測(cè)量模塊及舵機(jī)，各模塊功能如下：

微處理器：處理測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)故障檢測(cè)規(guī)則對(duì)舵機(jī)健康狀況做出評(píng)價(jià)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：存儲(chǔ)測(cè)試過程中舵機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)以便后續(xù)深度分析。

驅(qū)動(dòng)模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制，以獲得舵機(jī)完整的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

顯示模塊：舵機(jī)測(cè)試的交互設(shè)計(jì)。

測(cè)量模塊：實(shí)時(shí)的測(cè)量舵機(jī)運(yùn)行過程中的角度并發(fā)送到處理器。

本發(fā)明的功能實(shí)現(xiàn)過程如下：

處理器使用STM32F103RCT6，其豐富的資源可以很好的滿足本發(fā)明的要求，通過微處理器發(fā)送控制指令控制舵機(jī)偏轉(zhuǎn)。

1、裝置校準(zhǔn)，過程如下：在系統(tǒng)初始時(shí)便對(duì)舵機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)時(shí)首先控制舵機(jī)偏轉(zhuǎn)值0度，當(dāng)舵機(jī)偏轉(zhuǎn)完成并穩(wěn)定后，測(cè)量裝置自動(dòng)測(cè)量舵機(jī)的角度并存儲(chǔ)，即舵機(jī)校準(zhǔn)角度。此過程通過產(chǎn)生PWM信號(hào)，控制舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)，PWM信號(hào)與舵機(jī)偏轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖所示。如圖1所示，需要產(chǎn)生脈寬為1.5ms的PWM信號(hào)，此信號(hào)將使得舵機(jī)偏轉(zhuǎn)至0度。

2、數(shù)據(jù)測(cè)量，使用雙陀螺儀對(duì)舵機(jī)的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，陀螺儀所得到的數(shù)據(jù)為舵機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)到的位置，獲得舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的方法是將實(shí)時(shí)的角度減去舵機(jī)校準(zhǔn)時(shí)存儲(chǔ)的角度。以此，便可以通過陀螺儀精確地得到舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值。左右陀螺儀數(shù)值差超限即可判定舵機(jī)出現(xiàn)異常。

3、數(shù)據(jù)處理及顯示，過程為：由于角度測(cè)量裝置獲得角度信息后，將其擴(kuò)大100倍之后以16位的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，通過串口以8位的形式發(fā)送到處理器。處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，首先將獲得的高8位和低8位合并成16位數(shù)據(jù)，并將其縮小100倍即可得到真實(shí)的角度。而顯示模塊無法顯示小數(shù)，舵機(jī)的角度為精確到百分位的小數(shù)，因此在數(shù)據(jù)顯示時(shí)還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的換算，換算過程如下：首先獲得數(shù)據(jù)的整數(shù)部分，將整數(shù)部分顯示后，顯示小數(shù)點(diǎn)，然后通過原始數(shù)據(jù)減去整數(shù)部分即得到數(shù)據(jù)的小數(shù)部分，將小數(shù)部分?jǐn)U大100倍后取整顯示，即顯示了真實(shí)的角度值。

4、人機(jī)交互設(shè)計(jì)，本發(fā)明通過三個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)功能選擇和確定，其按鍵功能復(fù)用，其結(jié)構(gòu)圖如圖2。實(shí)現(xiàn)方法如下：對(duì)按鍵設(shè)置標(biāo)志來實(shí)現(xiàn)，即當(dāng)按鍵被按下時(shí)，將產(chǎn)生按下標(biāo)志，而在不同的功能模塊下，其標(biāo)志也不一樣，因此便可以將按鍵按下的環(huán)境分開，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。

5、故障檢測(cè)，在得到舵機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)后，產(chǎn)生殘差便可依據(jù)故障檢測(cè)規(guī)則對(duì)舵機(jī)的健康狀況做出評(píng)價(jià)，殘差產(chǎn)生結(jié)構(gòu)圖如圖3，數(shù)學(xué)描述為：

故障檢測(cè)規(guī)則為：比較舵機(jī)控制角度與測(cè)量角度的差值，當(dāng)其差值的絕對(duì)值大于設(shè)置的閾值時(shí)，判斷為故障，否則為正常。本發(fā)明根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證數(shù)據(jù)設(shè)置閾值為0.5度，閾值的設(shè)計(jì)方法如下：

考慮虛警率和漏檢率，當(dāng)閾值η增大時(shí)，虛警率P_f減小，漏檢率P_m增大，而閾值η減小時(shí)，虛警率P_f增大，漏檢率P_m減小。因此，需要考慮兩方面的因素，折衷選取閾值。使用代價(jià)函數(shù)法時(shí)，首先計(jì)算P_f、P_m的大小，然后構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，取最優(yōu)閾值η。

(1)計(jì)算P_f

假設(shè)一組冗余信號(hào)x₁，x₂，均服從正態(tài)分布N(u，σ²)，其概率分布函數(shù)為：

令δ＝|x₁-x₂|，則其概率分布函數(shù)為：

取閾值為η，則

(2)計(jì)算P_m

假設(shè)出現(xiàn)偏置量為d的故障，則相應(yīng)的δ＝|x₁-x₂|概率分布函數(shù)為：

其中，故障d的大小是個(gè)隨機(jī)量，因此，可以假設(shè)d∈[-M，M]且均勻分布。取閾值為η則

(3)確定閾值η

設(shè)被監(jiān)控信號(hào)的故障概率為P_F，構(gòu)造代價(jià)函數(shù)

C(η)＝P_FP_m(η)+(1-P_F)P_f(η)

代價(jià)函數(shù)可以對(duì)閾值進(jìn)行評(píng)價(jià)，其包含了發(fā)生故障但漏檢和無故障時(shí)虛驚另種情況。求解C(η)對(duì)η的最小值，即為閾值的最優(yōu)值。

舵機(jī)系統(tǒng)模型為

y＝Cx

其中

C＝[0 0 5.8139]

舵機(jī)的故障檢測(cè)器模型為

其中，H＝[20.7190 -22.5468 6.9310]^T，對(duì)系統(tǒng)兩秒時(shí)加入故障進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4，圖5所示。