无人机飞控系统故障诊断技术研究综述

摘要： 近年来，无人机因其运行成本低、机动性强等独特优势被广泛应用于军民各复杂领域；同时，复杂多样的任务对无人机系统的可靠性和安全性提出了更高的要求。无人机故障诊断技术能够及时准确地提供诊断结果，有助于无人机的维护、保养与维修，对提升无人机的作战效能具有重要意义。因此，从无人机的飞控系统剖析各类常见故障的机理，并进行故障归类。主要围绕飞控系统中的传感器、执行器和其他部件的故障诊断技术，分析总结了无人机故障诊断技术的研究方法和现状。探讨了无人机故障诊断技术面临的主要挑战，并指出了未来的发展方向；旨在为无人机故障诊断技术领域研究人员提供一定参考，促进我国无人机故障诊断技术水平的提升。无人机作为新兴技术，在军事、民用、农业等多个领 域有着广泛的应用，尤其是军事领域，它的研究和应用 给军事作战带来了重大的改变，使军队的作战能力得到 了极大的提升[1]。然而，随着无人机的大量应用，无人机 发生事故的频率也迅速增加，据数据统计，它发生的事 故大约31%是由于人为因素，而约59%是由于设备故障 导致的，其余的是由环境因素所导致[2]。其中，无人机飞 控系统一般包括传感器、执行机构和机载计算机三大部分，是最容易发生故障的系统。 无人机飞控系统的作用相当于人类的大脑，能够对 无人机飞行姿态和运动参数进行实时控制。因此，飞控 系统的健康是无人机可靠安全的重要保证[3]。无人机的 故障诊断技术是指在无人机系统出现故障时，利用各种 测量手段，对故障造成的影响进行量化分析，以确定故 障的类型、位置和原因，并给出有效的维修方案，以解决 故障问题[4]。近年来，海内外的学者对无人机飞控系统 的故障诊断技术进行大量研究，旨在通过深入分析无人 机的故障原因，为无人机的安全和可靠性提供保障，并 且能够有效地降低故障维修和更换的成本[5]。 从2010至2022年期间与无人机故障诊断相关的大 量文献来看，具体时间分布如图 1 所示，学者针对无人 机故障诊断技术研究稳中有进，总体上呈现递增趋势。 特别是 2016 年后一直保持较大的递增趋势，表明世界 范围内无人机故障诊断技术研究已经引起众多学者的 广泛关注，意味着无人机故障诊断技术具有重要研究价 值。由于政府对无人机研究的大力支持以及各研究机 构对无人机故障诊断技术的研究投入，使得无人机故障 诊断技术得到大大提升。文献所涉及的无人机故障研究类别、对象、方法及 区域分布如图 2 所示。图中显示国内外对于无人机故 障诊断技术的研究多集中在无人机飞控系统中的传感 器和执行机构两个方面。随着各个结构的故障类型存 在较大差异，针对不同的部件研究了不同的诊断方法。例如，在无人机传感器的故障研究中，神经网络法被许 多学者在无人机传感器故障诊断的研究方面广泛应用， 将神经网络法应用于无人机传感器的故障诊断，避免了 复杂数学模型的建立。而在执行机构的故障研究中，深 度自编码器和优化的卡尔曼滤波器等应用最为广泛，这 两种方法的使用提高了故障诊断的精确度以及适应噪 声的能力。 本文主要对无人机飞控系统进行各类常见故障机 理的分析，并对无人机故障诊断技术的研究现状、应用 及发展趋势进行整理、分析和归纳，为无人机故障诊断 技术的深入研究提供参考和借鉴。