高度傳感器在無人直升機上的應用及故障分析

摘要：為了預防無人直升機使用過程中發生與高度傳感器相關的故障，減小飛行安全事故的可能性，針對某型無人直升機在執行任務中發生的一次飛行故障，結合高度傳感器的工作原理和在無人機飛行控制中的應用，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。最后針對出現的高度傳感器故障原因提出了解決和預防的方法。
關鍵詞：無人機；高度傳感器；傳感器故障；故障樹

0 引言
小型無人直升機在民用領域以及國防建設中有著廣泛的應用前景，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安全飛行的前提則是機載傳感器系統的可靠性。機載傳感器是飛控系統的基礎部件，也是最容易產生故障的環節之一。由于機載傳感器工作在高溫強振動的環境下，極易引起傳感器性能不穩定并引發故障。高度計是飛行器中重要的傳感器，對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的過程中，發生過因為高度傳感器失靈，導致的飛行事故。本文對高度傳感器在無人直升機中的應用進行研究，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飛控中的重要作用
1．1 常用的測量高度方法
用來測量飛行高度的方法有很多種，根據不同的測量原理可以測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量飛行高度的方法，是將高度測量轉換為對時間的測量。電磁波在空中以光速c傳播且碰到地面能夠反射。因此，裝在飛機上的無線電發射機將電磁波發射到地面后，機上接收機的天線經△t時間收到反射波，根據△t可測出飛機的真實飛行高度H。
(2)通過測量飛機垂直地面運動的線加速度來測量飛行高度，飛機相對于地面的垂向運動的距離(高度)h、速度V和加速度ay間的關系如式(1)所示：

(3)通過測量大氣參數來測量飛行高度，在重力場內大氣的壓力、大氣密度均隨高度增高而減小，盡管各自的變化規律不同，但卻都是有規律可循的，于是，可以通過測量大氣壓力或大氣密度來間接測量飛行高度。
在使用的無人機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、后續電路簡單且集成化程度高、綜合精度較高、無傳動部件、性能穩定、可靠性高、體積小、質量輕，以及使用方便等優點，很適合在無人機上的應用。
1．2 高度傳感器的工作原理
為了統一評估飛機的動力學特性，比較和計算飛行狀態，世界各主要航空國家制定了一種假想的標準大氣模型。該模型排除了地理坐標、季節和晝夜等因素對大氣物理特性的影響，認為大氣的溫度、密度和壓強隨高度按固定的規律變化。因此，可以利用大氣壓強數值計算無人機的飛行高度。
標準氣壓——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；Tb，Hb，Pb為高度分層中相應層的大氣溫度、標準氣壓高度和氣壓的下限值。本文所論述的系統應用于低空飛行的某小型無人機，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；根據相關文獻提出的大氣溫度、高度及壓強分層的方法，選取Tb，Hb，Pb的值。
測得氣壓值后，代入式(2)可計算出無人機飛行高度。
1．3 高度傳感器的數據在飛控系統中的應用
直升機的垂向控制是通過控制主旋翼的升力而實現的，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，和直升機的飛行時氣壓值進行比較，由于飛的越高壓力越低，通過兩者之間的差就能計算出直升機當前的高度。通過高度的變化，就可以計算出垂向的速度，一旦高度傳感器出現故障，無人直升機的垂向控制系統就會I葉j現問題，導致嚴重的事故。垂向控制回路，如圖1所示。

2 高度傳感器的故障現象及原因分析
某型無人直升機在進行飛行時，突然發生高度顯示失靈，無人直升機失去控制，截圖如圖2所示。
對事故點的高度傳感器高度數據進行截取，分析數據，繪制高度變化曲線如圖3所示。

由圖2和圖3可以看出，無人直升機在飛行過程中，突然高度數據丟失，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。