一种智能航空舵机快速测试方法及装置与流程

本发明属于航空系统故障检测领域，本发明可以实现舵机自动和手动的故障检测，即进行有效的舵机测试。

背景技术：

目前，舵机的测试主要为人工测试，需要由专家或者经验丰富的维修人员对舵机进行测试，其测试过程有很多不确定性，比如测试时的环境，测试人员的身体状态都会对结果产生影响。另外，人工测试的效率也较低，首先测试人员不可能24小时工作，而且每次测试的时间也较长，这两个方面的原因致使其效率很难有较大提高。所以，人工测试必将退出历史舞台。

故障诊断技术在近十年间发展迅速，其对提高系统的可靠性有着巨大帮助。故障诊断方法可以分为三种：基于数学模型的方法、基于信号处理的方法、基于人工智能的方法。其主要任务可分为故障检测、故障诊断和故障的评价与决策。从信号转变的角度可以分为：测量空间、特征空间、判断空间和分类空间。其工作的过程如下，故障诊断系统从系统中提取故障信号进行故障信息的分析检测、估计、隔离。最后，根据所得结果对故障进行评价，并发生相应的动作。

在电力电子技术方面，目前该领域技术已相当先进，尤其MEMS器件的应用越来越广泛，MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。

本发明结合目前相关先进技术，采用基于模型的故障诊断方法，实现对舵机的智能检测，大大提高了舵机测试的效率，改善了舵机测试的可靠性。而且舵机的应用非常广泛，可靠、稳定的舵机也将使得相关装置的可靠性和稳定性显著提高。

技术实现要素：

1、发明目的

针对合民用飞机总装飞行控制分系统舵机测试的需求，依托飞机制造工程技术研究中心创新基金项目“民用飞机飞控系统故障注入与故障测试技术研究”，力求改善舵机测试的效率和准确性，本发明主要功能是对舵机性能、状态进行检测。实现自动给定控制信号，自动控制舵面偏转，自动测量与显示测试结果。使系统具有良好的通用性、移植性和扩展性，提高舵机测试的自动化程度和精确程度。

2、技术方案

本发明由以下几个部分组成：

1)微处理器，对测量数据进行处理，根据规则判断舵机的健康状况。

2)显示模块，将重要的数据及结果显示，设计简洁、易操作的交互界面。

3)测量舵机的运行数据并传输到处理器以实现舵机故障检测。

4)数据存储模块，将获得的测量数据存储下来，以便后续进行深入分析。

本发明的工作过程如下：微处理器首先发出初始化指令，使得各个部分处于准备状态，然后，发出校准指令对舵机测试装置校准，校准后便可进行相关操作以实施自动或者手动的舵机测试功能。

3、有益效果

本发明可以实现两种测试模式，即手动测试模式和自动测试模式，当对大批量舵机进行测试时可以使用自动测试模式以提高舵机测试的效率，在对单个或者少数的舵机进行全面测试时可以采用手动测试的模式以满足要求。本发明很好地考虑了实际测试的要求，并实现了舵机测试的自动化、智能化。对提高舵机的可靠性及舵机应用装置的可靠性上都有很大帮助。另外，本发明的交互设计简洁、易操作，即使非专业人员也很容易上手测试，这提高了本发明的应用价值，对其推广到实际应用有重要意义。

附图说明

图1为PWM信号图。

图2为按键功能结构图。

图3残差产生结构图。

图4系统加入故障时仿真结果。

图5故障时残差响应曲线。

图6舵机测试仪结构图。

具体实施方式

本发明包括模块如下：微处理器、数据存储、驱动模块、显示模块、测量模块及舵机，各模块功能如下：

微处理器：处理测量数据，根据故障检测规则对舵机健康状况做出评价。

数据存储：存储测试过程中舵机运行数据以便后续深度分析。

驱动模块：实现对舵机的控制，以获得舵机完整的运行数据。

显示模块：舵机测试的交互设计。

测量模块：实时的测量舵机运行过程中的角度并发送到处理器。

本发明的功能实现过程如下：

处理器使用STM32F103RCT6，其丰富的资源可以很好的满足本发明的要求，通过微处理器发送控制指令控制舵机偏转。

1、装置校准，过程如下：在系统初始时便对舵机进行校准，校准时首先控制舵机偏转值0度，当舵机偏转完成并稳定后，测量装置自动测量舵机的角度并存储，即舵机校准角度。此过程通过产生PWM信号，控制舵机的偏转，PWM信号与舵机偏转角度对应关系如图所示。如图1所示，需要产生脉宽为1.5ms的PWM信号，此信号将使得舵机偏转至0度。

2、数据测量，使用双陀螺仪对舵机的位置进行实时的检测，陀螺仪所得到的数据为舵机当前转动到的位置，获得舵机转动角度的方法是将实时的角度减去舵机校准时存储的角度。以此，便可以通过陀螺仪精确地得到舵机转动的角度值。左右陀螺仪数值差超限即可判定舵机出现异常。

3、数据处理及显示，过程为：由于角度测量装置获得角度信息后，将其扩大100倍之后以16位的形式进行存储，通过串口以8位的形式发送到处理器。处理器对数据进行处理时，首先将获得的高8位和低8位合并成16位数据，并将其缩小100倍即可得到真实的角度。而显示模块无法显示小数，舵机的角度为精确到百分位的小数，因此在数据显示时还需要进行数据的换算，换算过程如下：首先获得数据的整数部分，将整数部分显示后，显示小数点，然后通过原始数据减去整数部分即得到数据的小数部分，将小数部分扩大100倍后取整显示，即显示了真实的角度值。

4、人机交互设计，本发明通过三个按键实现功能选择和确定，其按键功能复用，其结构图如图2。实现方法如下：对按键设置标志来实现，即当按键被按下时，将产生按下标志，而在不同的功能模块下，其标志也不一样，因此便可以将按键按下的环境分开，从而实现不同的功能。

5、故障检测，在得到舵机运行数据后，产生残差便可依据故障检测规则对舵机的健康状况做出评价，残差产生结构图如图3，数学描述为：

故障检测规则为：比较舵机控制角度与测量角度的差值，当其差值的绝对值大于设置的阈值时，判断为故障，否则为正常。本发明根据实际验证数据设置阈值为0.5度，阈值的设计方法如下：

考虑虚警率和漏检率，当阈值η增大时，虚警率P_f减小，漏检率P_m增大，而阈值η减小时，虚警率P_f增大，漏检率P_m减小。因此，需要考虑两方面的因素，折衷选取阈值。使用代价函数法时，首先计算P_f、P_m的大小，然后构造代价函数，取最优阈值η。

(1)计算P_f

假设一组冗余信号x₁，x₂，均服从正态分布N(u，σ²)，其概率分布函数为：

令δ＝|x₁-x₂|，则其概率分布函数为：

取阈值为η，则

(2)计算P_m

假设出现偏置量为d的故障，则相应的δ＝|x₁-x₂|概率分布函数为：

其中，故障d的大小是个随机量，因此，可以假设d∈[-M，M]且均匀分布。取阈值为η则

(3)确定阈值η

设被监控信号的故障概率为P_F，构造代价函数

C(η)＝P_FP_m(η)+(1-P_F)P_f(η)

代价函数可以对阈值进行评价，其包含了发生故障但漏检和无故障时虚惊另种情况。求解C(η)对η的最小值，即为阈值的最优值。

舵机系统模型为

y＝Cx

其中

C＝[0 0 5.8139]

舵机的故障检测器模型为

其中，H＝[20.7190 -22.5468 6.9310]^T，对系统两秒时加入故障进行仿真，仿真结果如图4，图5所示。