基于專家系統(tǒng)的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障智能

1、基于專家系統(tǒng)的無人機(jī)飛 行控制系統(tǒng)故障智能診斷 小組成員：李華東（20134678） 趙秋帆（20134692） 劉志君（20134679） 一、無人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用 植保 工作原理：工作原理：利用無人機(jī)作為飛行平臺， 搭載藥箱、噴灑設(shè)備或者監(jiān)測設(shè)備， 對農(nóng)田進(jìn)行噴藥或者數(shù)據(jù)采集。 無人機(jī)做植保早在幾年之前就已 經(jīng)被業(yè)內(nèi)所認(rèn)可，但由于技術(shù)限制和 飛行安全限制等因素導(dǎo)致該行業(yè)只有 零碎的廠商以服務(wù)外包形式在做。而 隨著我國無人機(jī)政策的完善和實(shí)行， 在有法可依的情況下，加之植保無人 機(jī)的快速高效的優(yōu)勢，該領(lǐng)域一定會 被越來越多的人所關(guān)注。 無人機(jī)航拍 工作原理：工作原理：利用攜帶攝像機(jī)裝置的 無人機(jī)，

2、開展大規(guī)模航拍，實(shí)現(xiàn)空 中俯瞰的效果。 首先需要聲明的是，這里所謂 的“航拍”并不是日常我們所接觸的。 而是通過專業(yè)級的航拍來為某一領(lǐng) 域提供資料。比如說“全景地圖”， 谷歌和騰訊街景都“Out”了，那一輛 輛的街景車一遍一遍地壓馬路，說 不定哪天就把你我的正臉給拍進(jìn)去 了，但無人機(jī)就大不一樣了，其拍 攝的街 景圖片不僅有一種鳥瞰世界 的視角，還帶有些許藝術(shù)氣息。別 忘了，在常年云遮霧罩的地區(qū)，遙 感衛(wèi)星不夠靈光的時候，無人機(jī)可 要沖鋒陷陣。 電力巡檢 工作原理：工作原理：裝配有高清數(shù)碼 攝像機(jī)和照相機(jī)以及GPS定 位系統(tǒng)的無人機(jī)，可沿電網(wǎng) 進(jìn)行定位自主巡航，實(shí)時傳 送拍攝影像，監(jiān)控人員可在

3、電腦上同步收看與操控。 該領(lǐng)域與植保無人機(jī)相 同，最近幾年也一直被行業(yè) 內(nèi)所關(guān)注，但不同的是，電 力巡檢無人機(jī)在2015年就開 始被各大電力公司應(yīng)用于實(shí) 際 操作。因?yàn)槠涔ぷ鲗傩员?就屬于專業(yè)性質(zhì)，所以對操 控人員的要求也極其嚴(yán)格。 這也充分了保證了應(yīng)用過程 中的安全問題。在2016年， 該領(lǐng)域一定會繼續(xù)前進(jìn)。 二、無人機(jī)系統(tǒng)的組成 飛機(jī)機(jī)體 飛控系統(tǒng) 無人機(jī)系統(tǒng) 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng) 發(fā)射回收系統(tǒng) 電源系統(tǒng) 其中飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)中最為重要 的子系統(tǒng)，承擔(dān)著無人機(jī)的飛行控制、 自主導(dǎo)航等多項功能，它作為無人機(jī)的 “大腦”控制無人機(jī)整個飛行過程。它 的工作狀態(tài)直接影響到飛行的品質(zhì)和安 全性。 飛行控制

4、系統(tǒng)組成 三、無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障 1.計算機(jī)分系統(tǒng)故障 2.傳感器分系統(tǒng)故障 3.伺服作動分系統(tǒng)故障 四、無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障檢測 1.對飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測的意義 無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)在無人機(jī)整個系 統(tǒng)中舉足輕重,其系統(tǒng)狀態(tài)運(yùn)行是否良 好關(guān)系著整個無人機(jī)的安全。 2.飛行控制系統(tǒng)故障檢測方法專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)： 一種基于知識的計算機(jī)程序系統(tǒng),它能模擬專門領(lǐng)域的專家求解問題的能力, 對有面臨的復(fù)雜問題做出專家水平的結(jié)論。由于它解決問題的能力主要取決于它 擁有的知識,所以又稱專家系統(tǒng)為知識庫系統(tǒng)。這種基于知識的計算機(jī)程序,事先 將有關(guān)的專家的知識、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來,形成一系列規(guī)則,

5、并將它們以適當(dāng)?shù)男问酱?入計算機(jī),即建立知識庫。然后,采用合適的控制策略,按輸入的原始數(shù)據(jù)選擇一定 的規(guī)則進(jìn)行推理、演繹,做出判斷和決策,并能根據(jù)用戶的要求給出滿意的解釋。 從專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)角度,專家系統(tǒng)定義如下： 一個專家系統(tǒng)是由一個四元組組成： ES=(P,S,L,K) 其中 P 是要解決的問題,S 為系統(tǒng)的推理控制策略, L 是學(xué)習(xí)機(jī)制,K 為知識庫。 專家系統(tǒng)就是為了解決具有專家級的適當(dāng)規(guī)模的問題,采取一定的推理控 制策略,具備相當(dāng)豐富和權(quán)威的知識,并具有學(xué)習(xí)機(jī)制,能對知識庫進(jìn)行改 進(jìn),以增強(qiáng)解題能力的計算機(jī)系統(tǒng)。 專家系統(tǒng)的知識獲取 專家系統(tǒng)的知識庫一般由規(guī)則庫、語義網(wǎng)絡(luò)、事實(shí)庫組成

6、。 可由以下三元組表示： K=(RE,FB,SN); 其中RB 是規(guī)則庫,FB 是事實(shí)庫,SN 是語義網(wǎng)絡(luò). 一個知識庫可以由規(guī)則不相交的若干知識庫組成,每個知識塊 包括有限個數(shù)的規(guī)則組、事實(shí)組以及語義網(wǎng)絡(luò)組,用 k j表示知 識塊, j 表示知識塊號; 專家系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法 對于任何一個系統(tǒng)的研制都有其開 發(fā)的流程,專家系統(tǒng)的研制也有專家 系統(tǒng)的基本規(guī)范和步驟,即大致要經(jīng) 歷可行性研究、獲取領(lǐng)域知識、構(gòu) 架專家系統(tǒng)的模型、系統(tǒng)的編碼實(shí) 現(xiàn)、系統(tǒng)測試和完善以及系統(tǒng)維護(hù) 等階段,有些階段還需要反復(fù)進(jìn)行。 例如:領(lǐng)域知識的獲取、系統(tǒng)測試完 善就需要不斷反復(fù)進(jìn)行。專家系統(tǒng) 開發(fā)流程圖如右圖所示： 專家

7、系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法 針對診斷專家系統(tǒng)幾個重要的功能模塊提出的開發(fā)針對診斷專家系統(tǒng)幾個重要的功能模塊提出的開發(fā)策略策略： (1)用戶界面的開發(fā)用戶界面的開發(fā)。 用戶界面是用戶使用專家系統(tǒng)的操作界面,如果設(shè)計的用戶界面不友好,一個再好的系統(tǒng)讓用戶使 用起來也不方便。建立專家系統(tǒng)的目的就是讓用戶方便地使用該系統(tǒng),所以構(gòu)建一個友好的用戶 界面對專家系統(tǒng)來說極為重要。目前,自然、方便、靈活是專家系統(tǒng)的目標(biāo)和發(fā)展方向。越來越 多的技術(shù)已應(yīng)用在專家系統(tǒng)的人機(jī)界面的開發(fā)中,常常采用的有菜單、按鈕等控件的方式,還有虛 擬技術(shù)和多媒體技術(shù)也逐漸在專家系統(tǒng)中應(yīng)用。 (2)知識庫管理模塊的開發(fā)知識庫管理模塊的開發(fā)。 專家

8、系統(tǒng)的知識需要對其管理和維護(hù),以便提高系統(tǒng)效率。知識管理模塊就是實(shí)現(xiàn)對知識庫中知 識的管理與維護(hù)。由于知識獲取是一個長期積累的過程,不可能在某一固定時期就能把整個系統(tǒng) 的知識全部獲得,所以知識庫的建立是一個長期的過程。需要系統(tǒng)具有對系統(tǒng)知識不斷完善和修 正的功能。不同層次的用戶對知識的理解層的也不一樣,應(yīng)為不同層次的用戶(領(lǐng)域?qū)＜?、知識工 程師、設(shè)備維修人員等)設(shè)計一種較通用的診斷知識描述語言,并提供知識的檢查功能,確保知識的 正確性,避免知識庫的冗余等。對于有些龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)的故障的診斷需要分成子系統(tǒng)進(jìn)行診 斷,這就需要對知識進(jìn)行層次的劃分,從而將求解知識劃分為若干個模塊,不同模塊的知識分

9、別存儲 且相對獨(dú)立。這樣做的優(yōu)點(diǎn)有兩個:一是知識的獲取與管理相對集中,局部參數(shù)變量即使重名也不 相互影響,便于知識的維護(hù)和管理;二是故障診斷時,系統(tǒng)每次只需加載某一個知識庫到內(nèi)存,大大提 高了知識搜索和匹配的效率。降低了對內(nèi)存的要求,診斷系統(tǒng)知識的數(shù)量也不會受到限制。 (3)推理模塊的開發(fā)推理模塊的開發(fā)。 診斷知識的表示方法對推理機(jī)策略選擇有直接影響。為了達(dá)到對復(fù)雜問題的求解 和求解的嚴(yán)密性,智能故障診斷專家系統(tǒng)的診斷推理被設(shè)計為可以支持多種推理 方式的綜合推理機(jī),專家可對推理過程進(jìn)行指導(dǎo)和修正。雖然綜合的推理機(jī)制的 算法實(shí)現(xiàn)具有一定的復(fù)雜性,但系統(tǒng)的求解方式更靈活,解決問題的能力更強(qiáng),推理

10、更嚴(yán)密,形成針對特定問題的診斷推理方法,能有效地解決各種推理難題,有效提高 系統(tǒng)問題的解決能力。 (4)知識獲取模塊的開發(fā)知識獲取模塊的開發(fā)。 獲取到豐富、準(zhǔn)確、有價值的信息和知識對一個故障診斷專家系統(tǒng)來說是專家系 統(tǒng)自身價值的體現(xiàn),直接影響到故障診斷的診斷結(jié)果的可信度和準(zhǔn)確性。所以系 統(tǒng)的知識獲取能力是評價一個故障診斷專家系統(tǒng)的一個重要指標(biāo)。構(gòu)建專家系統(tǒng) 時,首先要明確哪些信息是屬于自動獲取的,哪些信息是屬于被動獲取的,哪些信息 又是在診斷過程中實(shí)時獲取的。由于專家的某些信息是通過其感官獲取的。這些 信息又極其重要,因此對這些信息的獲取需要重視。需要專家通過人機(jī)接口將這 些信息提供給專家系統(tǒng)

11、。因此專家系統(tǒng)的人機(jī)接口是獲取知識必不可少組成部分。 專家系統(tǒng)在無人機(jī)中的具體實(shí)現(xiàn) 總體思想總體思想:通過對無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)備的測 試,將獲取飛控系統(tǒng)各個機(jī)載設(shè)備的故障特點(diǎn)與 特征信號(包括正常和異常),并將其與知識庫中的 規(guī)則進(jìn)行匹配,經(jīng)過推理機(jī)的推理對檢測信息進(jìn) 行故障診斷,查明導(dǎo)致被測單元故障所在子系統(tǒng) 及故障原因,并能夠?qū)︼w行控制系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備的 故障、故障性質(zhì)和故障程度做出判斷和決策。在 無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障診斷功能和性能要求分 析的基礎(chǔ)之上,結(jié)合專家系統(tǒng)的要求和特點(diǎn)設(shè)計 出了一種智能的無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)故障診斷專 家系統(tǒng),其主要包括人機(jī)接口、知識獲取與管理、 推理機(jī)、解釋決策、

12、故障知識庫、綜合數(shù)據(jù)庫等 模塊,其總體框架如圖 所示: (1)無人機(jī)飛控系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫無人機(jī)飛控系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫: 又稱為全局?jǐn)?shù)據(jù)庫“綜合數(shù)據(jù)庫主要用于存取無人機(jī)飛控系統(tǒng)故障診斷推 理過程中的各種信息,如初始值!激勵后的測試值!推理過程中得到的中間 結(jié)論以及診斷的最后結(jié)果”當(dāng)無人機(jī)飛控系統(tǒng)故障知識庫中某一條規(guī)則的 前提與無人機(jī)飛控系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫中的某己知事實(shí)相匹配時,該激活該規(guī) 則,并把該規(guī)則的結(jié)論作為此次推理的結(jié)論存在無人機(jī)飛控系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù) 庫中,作為后續(xù)推理的已知事實(shí)或本次推理的最終結(jié)論“可見,無人機(jī)飛控 系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容是隨著無人機(jī)故障診斷推理的進(jìn)行而不斷變化” 。 (2)無人機(jī)飛控系

13、統(tǒng)故障知識庫無人機(jī)飛控系統(tǒng)故障知識庫: 存儲了無人機(jī)飛行控制領(lǐng)域?qū)＜业膶I(yè)知識和飛控系統(tǒng)維護(hù)人員在維護(hù) 過程中積累的維護(hù)經(jīng)驗(yàn),包括故障檢測的方法!故障特征!故障原因!維修方 法和專家意見等“ 。 (3)知識獲取模塊知識獲取模塊: 用戶(地面維護(hù)人員或飛控領(lǐng)域?qū)＜?通過人機(jī)接口為本系統(tǒng)知識庫中的 知識進(jìn)行添加!刪除!修改等,以及獲取診斷對象的有關(guān)信息,為診斷提供依 據(jù)“ 。 (4)推理機(jī)推理機(jī): 推理機(jī)制是整個專家系統(tǒng)的核心,控制著知識庫中所有規(guī)則的 調(diào)度,根據(jù)不同的診斷情況調(diào)用不同的規(guī)則進(jìn)行診斷“ 。 (5)解釋說明機(jī)制解釋說明機(jī)制: 無人機(jī)飛控系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)中的知識表達(dá)或知識 推理都有

14、特定的形式,這些形式在很大程度上是為了系統(tǒng)開發(fā) 的方便而設(shè)計的,大多數(shù)下,這些形式人們是難以理解的,為此 要求它能對知識庫中的規(guī)則和診斷 結(jié)果給出合理的解釋,并用一種人們?nèi)菀桌斫獾男问奖磉_(dá)出來 “通過人機(jī)界面提供給用戶(維護(hù)人員)或領(lǐng)域飛控系統(tǒng)專家參 閱” 。 (6)人機(jī)接口人機(jī)接口: 人機(jī)接口是診斷系統(tǒng)所必需的,它是用戶和專家系統(tǒng)之間的 通信橋梁,使得用戶和系統(tǒng)之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)!診斷結(jié)果!解釋 的交互“通過人機(jī)接口,系統(tǒng)可以不斷獲取高質(zhì)量的知識,系統(tǒng) 維護(hù)人員可以方便地添加!刪除和修改故障診斷的規(guī)則,從而 高效地建立!擴(kuò)展和維護(hù)故障診斷專家系統(tǒng)的知識庫,從而不 斷提高系統(tǒng)的診斷效率和準(zhǔn)確度”

15、。 五、無人機(jī)避障 超聲波避障 一個比較形象的比喻就是蝙蝠。這種飛行類哺乳動物，通過口腔中喉部的特殊構(gòu)造來 發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波遇到獵物或者障礙的時候就會反射回來，蝙蝠可以用特殊的聽 覺系統(tǒng)來接收反射回來的信號，從而探測目標(biāo)的距離，確定飛行路線。 但是，超聲波在無人機(jī)避障系統(tǒng)的應(yīng)用中也有比較明顯的干擾問題。雖然超聲波避障 系統(tǒng)不會受到光線、粉塵、煙霧，但在部分場景下也會受到聲波的干擾。其次，如果 物體表面反射超聲波的能力不足，避障系統(tǒng)的有效距離就會降低，安全隱患會顯著提 高。一般來說，超聲波的有效距離是5米，對應(yīng)的反射物體材質(zhì)是水泥地板，如果材質(zhì) 不是平面光滑的固體物，比如說地毯，那么超聲波的

16、反射和接收就會出問題。 對于無人機(jī)來說，這種超聲波系統(tǒng)應(yīng)該放在多個方向，比如放在前后左右四個方向， 可以在懸停和飛行的時候?qū)χ車３直O(jiān)控；而放在機(jī)身下方和上方，則可以在起飛、 下降以及降落的時候避免速度太快碰到障礙物或者地面。 通俗一點(diǎn)講，就是把前面的超聲波換成光。檢測方法有兩種一種是光的時間，另一種是光的相位。但 是總的來說，都是把光打出去，然后檢測反射回來的光，進(jìn)而判斷無人機(jī)的周圍是否有障礙物，距離 幾何等等。 零度最近展示的無人機(jī)TOF避障系統(tǒng)，使用的就是光相位檢測。和超聲波同樣，光波也會受到干擾， 而目前城市環(huán)境下樓宇間的光污染，給TOF避障系統(tǒng)帶來了難題，系統(tǒng)發(fā)出的光，必須避開太陽光

17、的 主要能量波段，從而避免太陽光的直射、反射等對避障系統(tǒng)造成干擾。 至于TOF系統(tǒng)的有效距離，目前，TOF在室內(nèi)測量距離最大可以到10米，而室外強(qiáng)光干擾的話，在5米 左右。楊建軍介紹稱。 在懸停狀態(tài)下，TOF系統(tǒng)會一直保持快速旋轉(zhuǎn)，每秒鐘旋轉(zhuǎn)2-5圈。這是因?yàn)?，在旋轉(zhuǎn)的過程中系統(tǒng)就 可以完成對周圍有效半徑內(nèi)的360范圍進(jìn)行快速掃描，從而用較快的速度發(fā)現(xiàn)障礙，然后對飛控系 統(tǒng)發(fā)出調(diào)整位置的指令，避免對周圍的人或財物造成傷害；當(dāng)在飛行的過程中，TOF系統(tǒng)則會停止旋 轉(zhuǎn)，只把光發(fā)射到前進(jìn)的方向上。固定方向的時候，在室外的有效距離可以增加到8-10米。 TOF避障 大疆在2015年6月初推出了一個全新

18、的官方智能避障系統(tǒng)“Guidance”，配套一個全新的 可開發(fā)無人機(jī)平臺“經(jīng)緯”系列（Matrice 100）使用。 這套Guidance系統(tǒng)同樣可以在前、后、左、右和下，一共5個方向上進(jìn)行障礙識別，而識 別的機(jī)制分為兩個部分，分比為是超聲波和機(jī)器視覺。也就是說，除了常規(guī)的超聲波模 塊以外，5個方向上還專門放置了攝像頭用于獲取視覺圖像，然后直接傳輸?shù)綑C(jī)載的英特 爾凌動（Atom）Bay Trail處理器進(jìn)行計算處理。另外，進(jìn)入消費(fèi)級無人機(jī)市場時間較早 的Parrot，也在跟英偉達(dá)（Nvidia）進(jìn)行避障方面的合作，同樣采用了包含機(jī)器視覺的復(fù) 合型避障系統(tǒng)。 這種復(fù)合型避障系統(tǒng)，相對前兩種提到的模式來說技術(shù)含量更高一些。當(dāng)然在工作效率 上也有一定的優(yōu)勢。Guidance系統(tǒng)配合大疆的Matrice 100無人機(jī)開發(fā)平臺使用，可以為 更多與物聯(lián)網(wǎng)有關(guān)的商業(yè)化使用場景帶來幫助，比如停車場管理。在室內(nèi)GPS用于定位 基本可以免談