高度傳感器在無人直升機(jī)上的應(yīng)用及故障分析

摘要：為了預(yù)防無人直升機(jī)使用過程中發(fā)生與高度傳感器相關(guān)的故障，減小飛行安全事故的可能性，針對(duì)某型無人直升機(jī)在執(zhí)行任務(wù)中發(fā)生的一次飛行故障，結(jié)合高度傳感器的工作原理和在無人機(jī)飛行控制中的應(yīng)用，采用可靠性分析中的故障樹的方法，分析了存在的故障原因。最后針對(duì)出現(xiàn)的高度傳感器故障原因提出了解決和預(yù)防的方法。
關(guān)鍵詞：無人機(jī)；高度傳感器；傳感器故障；故障樹

0 引言
小型無人直升機(jī)在民用領(lǐng)域以及國防建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用前景，其安全可靠性也越來越受到人們的重視。而保證微小型無人直升機(jī)安全飛行的前提則是機(jī)載傳感器系統(tǒng)的可靠性。機(jī)載傳感器是飛控系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件，也是最容易產(chǎn)生故障的環(huán)節(jié)之一。由于機(jī)載傳感器工作在高溫強(qiáng)振動(dòng)的環(huán)境下，極易引起傳感器性能不穩(wěn)定并引發(fā)故障。高度計(jì)是飛行器中重要的傳感器，對(duì)于飛行器的安全飛行與自主控制具有十分重要的作用，在日常使用無人直升機(jī)的過程中，發(fā)生過因?yàn)楦叨葌鞲衅魇ъ`，導(dǎo)致的飛行事故。本文對(duì)高度傳感器在無人直升機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，分析造成這一事故的原因，并提出了解決辦法。

1 高度傳感器在無人直升機(jī)飛控中的重要作用
1．1 常用的測(cè)量高度方法
用來測(cè)量飛行高度的方法有很多種，根據(jù)不同的測(cè)量原理可以測(cè)量出不同定義下的飛行高度。常用的有以下幾種：
(1)利用無線電波反射特性來測(cè)量飛行高度的方法，是將高度測(cè)量轉(zhuǎn)換為對(duì)時(shí)間的測(cè)量。電磁波在空中以光速c傳播且碰到地面能夠反射。因此，裝在飛機(jī)上的無線電發(fā)射機(jī)將電磁波發(fā)射到地面后，機(jī)上接收機(jī)的天線經(jīng)△t時(shí)間收到反射波，根據(jù)△t可測(cè)出飛機(jī)的真實(shí)飛行高度H。
(2)通過測(cè)量飛機(jī)垂直地面運(yùn)動(dòng)的線加速度來測(cè)量飛行高度，飛機(jī)相對(duì)于地面的垂向運(yùn)動(dòng)的距離(高度)h、速度V和加速度ay間的關(guān)系如式(1)所示：

(3)通過測(cè)量大氣參數(shù)來測(cè)量飛行高度，在重力場(chǎng)內(nèi)大氣的壓力、大氣密度均隨高度增高而減小，盡管各自的變化規(guī)律不同，但卻都是有規(guī)律可循的，于是，可以通過測(cè)量大氣壓力或大氣密度來間接測(cè)量飛行高度。
在使用的無人機(jī)上使用的高度傳感器，選用的是第三類方法的傳感器。其是由Honeywell公司生產(chǎn)的HPA200-W2DB高度傳感器，是一種硅壓阻式壓力傳感器，具有靈敏度高、后續(xù)電路簡(jiǎn)單且集成化程度高、綜合精度較高、無傳動(dòng)部件、性能穩(wěn)定、可靠性高、體積小、質(zhì)量輕，以及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，很適合在無人機(jī)上的應(yīng)用。
1．2 高度傳感器的工作原理
為了統(tǒng)一評(píng)估飛機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性，比較和計(jì)算飛行狀態(tài)，世界各主要航空國家制定了一種假想的標(biāo)準(zhǔn)大氣模型。該模型排除了地理坐標(biāo)、季節(jié)和晝夜等因素對(duì)大氣物理特性的影響，認(rèn)為大氣的溫度、密度和壓強(qiáng)隨高度按固定的規(guī)律變化。因此，可以利用大氣壓強(qiáng)數(shù)值計(jì)算無人機(jī)的飛行高度。
標(biāo)準(zhǔn)氣壓——高度公式為：

式中：PH為高度H下的氣壓；β為溫度梯度；g為重力加速度；R為空氣專用氣體常數(shù)；Tb，Hb，Pb為高度分層中相應(yīng)層的大氣溫度、標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度和氣壓的下限值。本文所論述的系統(tǒng)應(yīng)用于低空飛行的某小型無人機(jī)，飛行高度小于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；根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)提出的大氣溫度、高度及壓強(qiáng)分層的方法，選取Tb，Hb，Pb的值。
測(cè)得氣壓值后，代入式(2)可計(jì)算出無人機(jī)飛行高度。
1．3 高度傳感器的數(shù)據(jù)在飛控系統(tǒng)中的應(yīng)用
直升機(jī)的垂向控制是通過控制主旋翼的升力而實(shí)現(xiàn)的，垂向控制的高度信息和垂向速度信息就來自于高度傳感器，記錄下地面的氣壓，和直升機(jī)的飛行時(shí)氣壓值進(jìn)行比較，由于飛的越高壓力越低，通過兩者之間的差就能計(jì)算出直升機(jī)當(dāng)前的高度。通過高度的變化，就可以計(jì)算出垂向的速度，一旦高度傳感器出現(xiàn)故障，無人直升機(jī)的垂向控制系統(tǒng)就會(huì)I葉j現(xiàn)問題，導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。垂向控制回路，如圖1所示。

2 高度傳感器的故障現(xiàn)象及原因分析
某型無人直升機(jī)在進(jìn)行飛行時(shí)，突然發(fā)生高度顯示失靈，無人直升機(jī)失去控制，截圖如圖2所示。
對(duì)事故點(diǎn)的高度傳感器高度數(shù)據(jù)進(jìn)行截取，分析數(shù)據(jù)，繪制高度變化曲線如圖3所示。

由圖2和圖3可以看出，無人直升機(jī)在飛行過程中，突然高度數(shù)據(jù)丟失，按照可靠性分析中的故障樹方法，列舉出可能造成故障的原因如圖4所示。