基于专家系统的无人机飞行控制系统故障智能

1、基于专家系统的无人机飞行控制系统故障智能诊断小组成员：李华东（20134678）赵秋帆（20134692）刘志君（20134679）一、无人机系统的应用植保工作原理：工作原理：利用无人机作为飞行平台，搭载药箱、喷洒设备或者监测设备，对农田进行喷药或者数据采集。无人机做植保早在几年之前就已经被业内所认可，但由于技术限制和飞行安全限制等因素导致该行业只有零碎的厂商以服务外包形式在做。而随着我国无人机政策的完善和实行，在有法可依的情况下，加之植保无人机的快速高效的优势，该领域一定会被越来越多的人所关注。无人机航拍工作原理：工作原理：利用携带摄像机装置的无人机，开展大规模航拍，实现空中俯瞰的效果。首先

2、需要声明的是，这里所谓的“航拍”并不是日常我们所接触的。而是通过专业级的航拍来为某一领域提供资料。比如说“全景地图”， 谷歌和腾讯街景都“Out”了，那一辆辆的街景车一遍一遍地压马路，说不定哪天就把你我的正脸给拍进去了，但无人机就大不一样了，其拍摄的街 景图片不仅有一种鸟瞰世界的视角，还带有些许艺术气息。别忘了，在常年云遮雾罩的地区，遥感卫星不够灵光的时候，无人机可要冲锋陷阵。电力巡检工作原理：工作原理：装配有高清数码摄像机和照相机以及GPS定位系统的无人机，可沿电网进行定位自主巡航，实时传送拍摄影像，监控人员可在电脑上同步收看与操控。该领域与植保无人机相同，最近几年也一直被行业内所关注，但不

3、同的是，电力巡检无人机在2015年就开始被各大电力公司应用于实际 操作。因为其工作属性本就属于专业性质，所以对操控人员的要求也极其严格。这也充分了保证了应用过程中的安全问题。在2016年，该领域一定会继续前进。二、无人机系统的组成 飞机机体 飞控系统无人机系统 数据链系统 发射回收系统 电源系统其中飞行控制系统是无人机中最为重要的子系统，承担着无人机的飞行控制、自主导航等多项功能，它作为无人机的“大脑”控制无人机整个飞行过程。它的工作状态直接影响到飞行的品质和安全性。飞行控制系统组成三、无人机飞行控制系统可能出现的故障1.计算机分系统故障2.传感器分系统故障3.伺服作动分系统故障四、无人机飞行

4、控制系统故障检测1.对飞行控制系统进行故障检测的意义无人机飞行控制系统在无人机整个系统中举足轻重,其系统状态运行是否良好关系着整个无人机的安全。2.飞行控制系统故障检测方法专家系统专家系统：一种基于知识的计算机程序系统,它能模拟专门领域的专家求解问题的能力,对有面临的复杂问题做出专家水平的结论。由于它解决问题的能力主要取决于它拥有的知识,所以又称专家系统为知识库系统。这种基于知识的计算机程序,事先将有关的专家的知识、经验总结出来,形成一系列规则,并将它们以适当的形式存入计算机,即建立知识库。然后,采用合适的控制策略,按输入的原始数据选择一定的规则进行推理、演绎,做出判断和决策,并能根据用户的要

5、求给出满意的解释。从专家系统的结构角度,专家系统定义如下： 一个专家系统是由一个四元组组成： ES=(P,S,L,K) 其中 P 是要解决的问题,S 为系统的推理控制策略, L 是学习机制,K 为知识库。专家系统就是为了解决具有专家级的适当规模的问题,采取一定的推理控制策略,具备相当丰富和权威的知识,并具有学习机制,能对知识库进行改进,以增强解题能力的计算机系统。专家系统的知识获取专家系统的知识库一般由规则库、语义网络、事实库组成。 可由以下三元组表示： K=(RE,FB,SN); 其中RB 是规则库,FB 是事实库,SN 是语义网络.一个知识库可以由规则不相交的若干知识库组成,每个知识块包括

6、有限个数的规则组、事实组以及语义网络组,用 k j表示知识块, j 表示知识块号;专家系统的实现方法对于任何一个系统的研制都有其开发的流程,专家系统的研制也有专家系统的基本规范和步骤,即大致要经历可行性研究、获取领域知识、构架专家系统的模型、系统的编码实现、系统测试和完善以及系统维护等阶段,有些阶段还需要反复进行。例如:领域知识的获取、系统测试完善就需要不断反复进行。专家系统开发流程图如右图所示：专家系统的实现方法针对诊断专家系统几个重要的功能模块提出的开发针对诊断专家系统几个重要的功能模块提出的开发策略策略： (1)用户界面的开发用户界面的开发。用户界面是用户使用专家系统的操作界面,如果设计

7、的用户界面不友好,一个再好的系统让用户使用起来也不方便。建立专家系统的目的就是让用户方便地使用该系统,所以构建一个友好的用户界面对专家系统来说极为重要。目前,自然、方便、灵活是专家系统的目标和发展方向。越来越多的技术已应用在专家系统的人机界面的开发中,常常采用的有菜单、按钮等控件的方式,还有虚拟技术和多媒体技术也逐渐在专家系统中应用。 (2)知识库管理模块的开发知识库管理模块的开发。专家系统的知识需要对其管理和维护,以便提高系统效率。知识管理模块就是实现对知识库中知识的管理与维护。由于知识获取是一个长期积累的过程,不可能在某一固定时期就能把整个系统的知识全部获得,所以知识库的建立是一个长期的过

8、程。需要系统具有对系统知识不断完善和修正的功能。不同层次的用户对知识的理解层的也不一样,应为不同层次的用户(领域专家、知识工程师、设备维修人员等)设计一种较通用的诊断知识描述语言,并提供知识的检查功能,确保知识的正确性,避免知识库的冗余等。对于有些庞大而复杂的系统的故障的诊断需要分成子系统进行诊断,这就需要对知识进行层次的划分,从而将求解知识划分为若干个模块,不同模块的知识分别存储且相对独立。这样做的优点有两个:一是知识的获取与管理相对集中,局部参数变量即使重名也不相互影响,便于知识的维护和管理;二是故障诊断时,系统每次只需加载某一个知识库到内存,大大提高了知识搜索和匹配的效率。降低了对内存的

9、要求,诊断系统知识的数量也不会受到限制。 (3)推理模块的开发推理模块的开发。诊断知识的表示方法对推理机策略选择有直接影响。为了达到对复杂问题的求解和求解的严密性,智能故障诊断专家系统的诊断推理被设计为可以支持多种推理方式的综合推理机,专家可对推理过程进行指导和修正。虽然综合的推理机制的算法实现具有一定的复杂性,但系统的求解方式更灵活,解决问题的能力更强,推理更严密,形成针对特定问题的诊断推理方法,能有效地解决各种推理难题,有效提高系统问题的解决能力。 (4)知识获取模块的开发知识获取模块的开发。获取到丰富、准确、有价值的信息和知识对一个故障诊断专家系统来说是专家系统自身价值的体现,直接影响到

10、故障诊断的诊断结果的可信度和准确性。所以系统的知识获取能力是评价一个故障诊断专家系统的一个重要指标。构建专家系统时,首先要明确哪些信息是属于自动获取的,哪些信息是属于被动获取的,哪些信息又是在诊断过程中实时获取的。由于专家的某些信息是通过其感官获取的。这些信息又极其重要,因此对这些信息的获取需要重视。需要专家通过人机接口将这些信息提供给专家系统。因此专家系统的人机接口是获取知识必不可少组成部分。专家系统在无人机中的具体实现总体思想总体思想:通过对无人机飞行控制系统设备的测试,将获取飞控系统各个机载设备的故障特点与特征信号(包括正常和异常),并将其与知识库中的规则进行匹配,经过推理机的推理对检测

11、信息进行故障诊断,查明导致被测单元故障所在子系统及故障原因,并能够对飞行控制系统机载设备的故障、故障性质和故障程度做出判断和决策。在无人机飞行控制系统故障诊断功能和性能要求分析的基础之上,结合专家系统的要求和特点设计出了一种智能的无人机飞行控制系统故障诊断专家系统,其主要包括人机接口、知识获取与管理、推理机、解释决策、故障知识库、综合数据库等模块,其总体框架如图 所示: (1)无人机飞控系统综合数据库无人机飞控系统综合数据库:又称为全局数据库“综合数据库主要用于存取无人机飞控系统故障诊断推理过程中的各种信息,如初始值!激励后的测试值!推理过程中得到的中间结论以及诊断的最后结果”当无人机飞控系统

12、故障知识库中某一条规则的前提与无人机飞控系统综合数据库中的某己知事实相匹配时,该激活该规则,并把该规则的结论作为此次推理的结论存在无人机飞控系统综合数据库中,作为后续推理的已知事实或本次推理的最终结论“可见,无人机飞控系统综合数据库的内容是随着无人机故障诊断推理的进行而不断变化” 。(2)无人机飞控系统故障知识库无人机飞控系统故障知识库:存储了无人机飞行控制领域专家的专业知识和飞控系统维护人员在维护过程中积累的维护经验,包括故障检测的方法!故障特征!故障原因!维修方法和专家意见等“ 。(3)知识获取模块知识获取模块:用户(地面维护人员或飞控领域专家)通过人机接口为本系统知识库中的知识进行添加!

13、删除!修改等,以及获取诊断对象的有关信息,为诊断提供依据“ 。(4)推理机推理机:推理机制是整个专家系统的核心,控制着知识库中所有规则的调度,根据不同的诊断情况调用不同的规则进行诊断“ 。(5)解释说明机制解释说明机制:无人机飞控系统故障诊断专家系统中的知识表达或知识推理都有特定的形式,这些形式在很大程度上是为了系统开发的方便而设计的,大多数下,这些形式人们是难以理解的,为此要求它能对知识库中的规则和诊断结果给出合理的解释,并用一种人们容易理解的形式表达出来“通过人机界面提供给用户(维护人员)或领域飞控系统专家参阅” 。(6)人机接口人机接口:人机接口是诊断系统所必需的,它是用户和专家系统之间

14、的通信桥梁,使得用户和系统之间可以进行数据!诊断结果!解释的交互“通过人机接口,系统可以不断获取高质量的知识,系统维护人员可以方便地添加!删除和修改故障诊断的规则,从而高效地建立!扩展和维护故障诊断专家系统的知识库,从而不断提高系统的诊断效率和准确度”。五、无人机避障超声波避障一个比较形象的比喻就是蝙蝠。这种飞行类哺乳动物，通过口腔中喉部的特殊构造来发出超声波，当超声波遇到猎物或者障碍的时候就会反射回来，蝙蝠可以用特殊的听觉系统来接收反射回来的信号，从而探测目标的距离，确定飞行路线。但是，超声波在无人机避障系统的应用中也有比较明显的干扰问题。虽然超声波避障系统不会受到光线、粉尘、烟雾，但在部分

15、场景下也会受到声波的干扰。其次，如果物体表面反射超声波的能力不足，避障系统的有效距离就会降低，安全隐患会显著提高。一般来说，超声波的有效距离是5米，对应的反射物体材质是水泥地板，如果材质不是平面光滑的固体物，比如说地毯，那么超声波的反射和接收就会出问题。对于无人机来说，这种超声波系统应该放在多个方向，比如放在前后左右四个方向，可以在悬停和飞行的时候对周围保持监控；而放在机身下方和上方，则可以在起飞、下降以及降落的时候避免速度太快碰到障碍物或者地面。通俗一点讲，就是把前面的超声波换成光。检测方法有两种一种是光的时间，另一种是光的相位。但是总的来说，都是把光打出去，然后检测反射回来的光，进而判断无

16、人机的周围是否有障碍物，距离几何等等。零度最近展示的无人机TOF避障系统，使用的就是光相位检测。和超声波同样，光波也会受到干扰，而目前城市环境下楼宇间的光污染，给TOF避障系统带来了难题，系统发出的光，必须避开太阳光的主要能量波段，从而避免太阳光的直射、反射等对避障系统造成干扰。至于TOF系统的有效距离，目前，TOF在室内测量距离最大可以到10米，而室外强光干扰的话，在5米左右。杨建军介绍称。在悬停状态下，TOF系统会一直保持快速旋转，每秒钟旋转2-5圈。这是因为，在旋转的过程中系统就可以完成对周围有效半径内的360范围进行快速扫描，从而用较快的速度发现障碍，然后对飞控系统发出调整位置的指令，

17、避免对周围的人或财物造成伤害；当在飞行的过程中，TOF系统则会停止旋转，只把光发射到前进的方向上。固定方向的时候，在室外的有效距离可以增加到8-10米。TOF避障大疆在2015年6月初推出了一个全新的官方智能避障系统“Guidance”，配套一个全新的可开发无人机平台“经纬”系列（Matrice 100）使用。这套Guidance系统同样可以在前、后、左、右和下，一共5个方向上进行障碍识别，而识别的机制分为两个部分，分比为是超声波和机器视觉。也就是说，除了常规的超声波模块以外，5个方向上还专门放置了摄像头用于获取视觉图像，然后直接传输到机载的英特尔凌动（Atom）Bay Trail处理器进行计

18、算处理。另外，进入消费级无人机市场时间较早的Parrot，也在跟英伟达（Nvidia）进行避障方面的合作，同样采用了包含机器视觉的复合型避障系统。这种复合型避障系统，相对前两种提到的模式来说技术含量更高一些。当然在工作效率上也有一定的优势。Guidance系统配合大疆的Matrice 100无人机开发平台使用，可以为更多与物联网有关的商业化使用场景带来帮助，比如停车场管理。在室内GPS用于定位基本可以免谈了，在地下停车场中光照条件一般不太好，而超声波与机器视觉加起来，几乎可以在任何照度下对多种材质进行较好的识别，从而对无人机在地下停车场封闭环境中的飞行提供更好的指导，识别的有效范围可以显著提升，准确度往往可以达到厘米级。复合型、机器视觉避障系统六、无人机发展现状及趋势现状1.无人机深受各国青睐：（1）隐蔽性好，生命力强；（2）造价低廉， 不惧伤亡；（3）起降简单，操作灵活。2.无人机更新快，广泛用于军事领域。3.民用也越来越需要无人机，广泛用于航拍监测。趋势1.增大航时，提高速度；2.隐身机体，缩小体积，提高机动能力和生存能力；3.高度智能，加载武器，提高无人机攻击能力；4.系统集成，综合传