张辉 刘政达

摘要：根据对无人机的相关研究，提出并设计了一种无人机故障监控装置和方法，旨在增强无人机的自主性，并简化操作。采取理论和设计实践相结合的方式，提出了一种基于色灯故障显示和实时空间定位的无人机故障监控设计。其次，描述了这一设计的具体操作方案，同时展示了其具体应用的意义。以期为今后在特殊环境应用方面提供新的道路和可能性。

关键词：无人机；故障检测；空间坐标

近年来，随着现代飞行器控制技术的日益发展，各种各样的飞行器逐渐呈现出很高的自主性。其中无人机（unmanned aerial vehicle，UAV）的应用场景不断增加，应用形式从单架飞机转向了多无人机[1]。无人机的灵活性和稳定性强，活动范围大且执行任务效率高，可以胜任物流运输、战场侦察和打击等军事或民用领域的任务。通常采用编队飞行的方式来执行这些复杂任务，因此针对多无人机编队问题展开研究具有重要的理论和应用价值。然而，在面临着低空近地、紊乱风场、系统可靠性等一些常见且主要的问题时，无人机无法完全实现真正的自主。通过无人机的自主调试，存在坠机、操控失灵、系统故障等一系列潜在风险。无人机自治飞行面临着不可忽视的挑战[2]。因此，针对该问题，本文提出了一种无人机故障控制和监控装置，应用渐变灯色来灵活地控制和监控故障，以增强无人机的自主性和简化操作。这将提高无人机的自主性，使无人机系统更加稳定，对无人机在飞行控制系统的研究具有重大意义[3]。

一、无人机故障控制和监控装置设计

（一）装置设计介绍

本文研究无人机故障和监控问题。提出并设计了一种新型无人机故障控制和监控装置，以及故障显示方法。该装置包括外壳、蜂鸣器、警示灯、处理模块和存储模块，这些设备都放置在外壳内。蜂鸣器、警示灯与处理模块相连，而外壳上还有一个Type-c接口，用于获取和监控无人机的运行状态信息。蜂鸣器的作用是在检测到故障时，发出鸣叫以提醒地面工作人员。警示灯则通过改变颜色和闪烁的方式提示故障原因，包括飞行时的滚动角，偏航角和俯仰角、巡航状态、飞行速度和高度。出现不正常状态时警示灯都会提示，轻度故障时色灯显示为绿色，中度故障时色灯显示为黄色，重度故障时色灯显示为红色。处理模块负责对数据进行处理和分析，例如计算滚动角、偏航角和俯仰角，并与预设信息进行对比。它还能将告警信息反馈给操作人员的控制设备，并显示故障或警告信息。此外，处理模块还能够读取无人机编队的队形、位置和路径数据。存储模块用于存储预设信息和飞行状态信息等。

（二）无人机运用

无人机运行时的俯仰角α和偏航角θ在预设数值范围内时，处理模块判定无人机状态正常，飞行正常；当无人机运行时的偏航角θ和俯仰角β超出预设数值范围时，处理模块指示色灯运行告警，但不触发蜂鸣器警告，以提示无人机旋翼转速异常，需要根据数值进行处理，属于轻度故障；当无人机运行时的上升速度超出预设俯仰角数值范围时，处理模块发出指示色灯运行告警和蜂鸣器警告，以提示无人升力异常，需要根据计算结果提升或减少升力，属于中度故障；监测到滚动角α超出预设俯仰角数值范围时，处理模块发出指示色灯运行告警和蜂鸣器警告，以提示无人机结构异常，属于重度故障，需要进行人工核实和修理；若处理后偏航角θ和俯仰角β依旧超出预设角度，则同时发出指示色灯运行告警和蜂鸣器警告，无人机将偏离预设航线，需要操作人员对无人机进行干预，属于重度故障。

当X，Y，Z超过预设信息的中的X0、Y0、Z0时，立即根据实际情况调整飞行参数，并重新与预设轨道比较，如无法返回到预设轨道，则视为中度故障。

二、色灯故障显示方法和装置的具体方案

（一）检测单个无人机飞行状态

无人机故障检测装置需要两个模块。分别为处理模块和存储模块。处理模块用于数据处理，存储模块用于存储信息[4]。

获取单个无人机的运行状态信息包括无人机飞行时的滚动角、偏航角和俯仰角，还可以包括巡航飞行状态、飞行速度、飞行高度等无人机运行参数信息。此处预设信息有无人机的运行时的滚动角、偏航角和俯仰角的正常数值范围。

处理模块实时地将计算出的滚动角、偏航角和俯仰角与预设信息进行对比分析。当无人机运行时的俯仰角α在预设俯仰角数值范围内时，处理模块判定无人机为正常状态，无人机飞行正常。

当监测到滚动角α超出预设俯仰角数值范围时，处理模块指示色灯运行告警以及蜂鸣器警告，提示无人机结构异常，属于重度故障，需要人工核实修理。

当无人机运行时偏航角θ在预设俯仰角数值范围内时，处理模块判定无人机为正常状态，表示无人机旋翼转速正常运行。

当无人机运行时的偏航角θ超出预设俯仰角数值范围时，处理模块指示色灯运行告警但不进行蜂鸣器警告，提示无人机旋翼转速异常，需要根据数值进行处理，属于轻度故障。

若处理后偏航角θ依旧超出预设角度，则同时进行色灯运行告警和蜂鸣器警告，无人机将远离预设航线，需要操作人员对无人机进行人工干预，属于重度故障。

當无人机运行时的俯仰角β超出预设俯仰角数值范围时，处理模块指示色灯运行告警但不进行蜂鸣器警告，提示无人机转速不平衡，需要根据数值进行加速处理，属于轻度故障。

若处理后俯仰角β依旧超出预设角度，则同时进行色灯运行告警和蜂鸣器警告，无人机将远离预设航线，需要操作人员对无人机进行人工干预，属于重度故障。

当无人机运行时的上升速度超出预设俯仰角数值范围时，处理模块指示色灯运行告警以及蜂鸣器警告，以提示无人机升力异常，需要根据计算结果提升或减少升力，属于中度故障。

处理模块还用于将告警信息反馈至操作人员的控制设备，外部设备显示故障或警告信息。通过人工校验告警信息提示的无人机运行状态是否正常，当校验无人机运行状态为正常时，结束告警，并且处理模块根据无人机运行状态更新存储模块中的预设信息。

以上为无人机个体检测流程，具体请见下方流程图。

（二）无人机列阵故障监控与告警方法

该告警装置具体如下：

其中外壳包括Type-c接口1、声音传出小孔2、警示灯3、外壳4。参见图5：外壳内包括处理模块2、存储模块3、蜂鸣器4。

外壳包括type-c接口，可以获取并监控无人机的运行状态信息。同时，外壳内还放置了蜂鸣器、警示灯、处理模块和存储模块。蜂鸣器和色灯与处理模块相连。

处理模块用于接收运行状态信息，并在该信息与存储模块中的预设信息不符合时，通过蜂鸣器和色灯进行告警。

通过故障报警监测，本装置可以实现以下功能：

处理模块读取无人机编队的队形、位置和路径数据；

根据获取的队形和数据分析，确定无人机的路径、位置以及尺寸、物理边界等相关参数，并记录飞行中的空间边界Xmax ，Xmin ，Ymax ，Ymin ，Zmax ，Zmin[5]；

根据记录的飞行空间边界，获得无人机的路径状态；

当Xmax、Ymax、Zmax，超过预设信息的中的Xmax0时，立即根据实际情况调整飞行参数，并重新与预设轨道进行比较。如果仍无法返回到预设轨道，则视为中度故障；

当Xmin、Ymin、Zmin超过预设信息的中的Xmax0时，立即根据实际情况调整飞行参数，并重新与预设轨道进行比较。如果仍无法返回到预设轨道，则视为中度故障；

自此无人机检测完毕。

（三）色灯故障显示方法

基于得到的参数测量结果及步骤，根据不同的故障情况，计算编队中设备的灯效颜色以及蜂鸣器的运行；

在轻度故障时，设备色灯显示为绿色，蜂鸣器不运行；

在中度故障时，设备色灯显示为黄色，蜂鸣器同时运行，警示操作人员，可能需要进行处理；

在重度故障时，设备色灯显示为红色，蜂鸣器同时运行，提示无人机结构存在问题，需要操作人员进行检修。

三、色灯故障分析及监测装置的应用意义

（一）环境适应性加强

通过灯色的灵活来及时反映无人机的故障程度，更好地提高了处理复杂无人机问题的能力，进一步增强了无人机飞行状态的稳定性，提升了无人机飞行的安全性[6]。相比于现有的红外热成像故障诊断技术，该设备最大限度地避免了在特殊天气工作过程中由于暴雨、低温等外界不良因素的影响而导致信息收集失误，能够更好地适应环境变化。

（二）自主决策性提高

无人机进行自主检测和报警，可以快速排除故障，使其能够及时安全地投入工作。相较于普通无人机，它最大程度上提高了人工决策的准确性和高效性，进一步降低了不必要的资源浪费。

（三）智能便利性的优化

通过分析传回的数据，优化无人机的飞行路径，可以极大程度地降低无人机的飞行故障率。这样可以推动无人机的智能化和便利化[7]。

四、结束语

随着无人机的使用推广和规模的不断扩大，无人机故障检测和飞行方面存在一些缺陷，可能埋下潜在隐患。因此，本文采用空间定位方法进行故障类型诊断，并基于色灯变化进行故障显示。本章首先介绍无人机飞行的基本理论，分析其局限性，然后总结一些常用的优化方法，为无人机飞行的故障定位和分析提供参考。同时，随着无人机的推广和规模的扩大，无人机故障检测和飞行中可能存在一些缺失，这可能会埋下潜在的隐患。因此，本文提出了使用空间定位来进行无人机故障类型诊断和基于色灯变化来进行故障显示的方法。本章首先介绍了无人机飞行的基本理论，分析了其局限性，并针对这些局限性总结了一些常用的优化方法，为无人机飞行的故障定位和分析提供参考。

作者单位：张辉 刘政达 无锡学院

参  考  文  献

[1]李华伟.多无人机协同任务规划研究与实现[D].西安电子科技大学，2014.

[2]付伟伊.基于联盟博弈的飞行自组网中信息共享方法研究[D].天津大学，2017.

[3]趙少雄.无人机自主飞行控制系统设计[D].中北大学，2017.

[4]蔡涛，鞠时光，牛德姣.开放式安全存储区域网模拟平台[C]//中国计算机学会信息存储技术专业委员会.第15届全国信息存储技术学术会议论文集.科学出版社（Science Press），2008：23-27.

[5]徐龙.工程分析数据的远程交互可视化技术研究[D].上海交通大学，2011.

[6]张蒙.大展弦比无人机安全着陆纵向控制技术研究[D].南京航空航天大学，2017.

[7]张晨.基于无人机的交通流量检测系统的研究与实现[D].南京航空航天大学，2018.