一種冗餘傳感器量測系統的容錯方法與流程
2023-04-23 06:50:41 3
本發明涉及傳感器量測技術領域，特別涉及一種冗餘傳感器量測系統的容錯方法。
背景技術：
容錯設計是提高傳感器量測系統可靠性的一種重要手段，其中最重要的方法就是採用幾何冗餘設計，即利用傳感器的餘度配置來提高該傳感器量測系統的整體可靠性。而這種容錯設計，要求傳感器量測系統具有合理的故障檢測與消除技術。當有傳感器故障時，能將故障傳感器及時檢測出來，並將其故障從其所在的量測系統中消除，確保該量測系統能夠正常工作。目前故障傳感器的檢測和隔離技術主要三種：第一種是基於奇偶空間的故障檢測與隔離法，該方法概念清楚，容易工程實現，第二種是針對奇偶空間法無法處理的軟故障而提出的廣義似然比法故障檢測法，第三種是針對兩個或更多的傳感器同時發生故障的情況而提出的均值檢驗法。這三種故障傳感器的檢測和隔離技術存在以下三個問題：(1)第一種和第三種方法都需要設置門限值，門限值的取值是一個經驗值，由此導致人為主觀因數比較大；(2)第二種方法中的傳感器的初始誤差對它的性能影響較大；(3)這三種方法都需要一個觀察周期，當在這個周期內的傳感器輸出都不正常時，則可判斷該傳感器發生故障，而這個觀察周期的存在導致不能實時進行故障診斷。
然而，上述三種傳感器故障檢測和隔離的方法都不能使冗餘傳感器量測系統保持其冗餘特性，因為漂移是傳感器的固有特性，每一個傳感器在任何時刻都有可能發生漂移，起初幾個漂移的傳感器能夠被冗餘慣性導航系統正確的診斷和隔離，而當傳感器的個數達到系統的最小配置時，系統由於失去其冗餘特性而無法正確地診斷和隔離出故障傳感器，因此，鑑於傳感器固有的漂移特性，需要一種冗餘傳感器量測系統容錯方法，能夠使得冗餘傳感器系統具有自我修復和補償的功能，由此保證傳感器量測系統的冗餘特性和精度。
技術實現要素：
本發明要解決的技術解決問題是：針對傳感器固有的漂移特性，提供一種冗餘傳感器量測系統的容錯方法，能夠使得冗餘傳感器系統具有自我修復和補償的功能，由此保證系統的冗餘特性和精度。
為了達到上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種冗餘傳感器量測系統的容錯方法，具體步驟如下：
步驟1、根據冗餘傳感器量測系統中的傳感器布置，確定所述冗餘傳感器量測系統的量測方程；
步驟2、根據所述量測方程，確定所述冗餘傳感器量測系統的奇偶向量；
步驟3、根據所述奇偶向量，確定所述冗餘傳感器量測系統的表決矩陣；
步驟4、根據所述表決矩陣，建立用於所述冗餘傳感器量測系統容錯的容錯系統；
步驟5、通過所述容錯系統對所述冗餘傳感器量測系統中的各個傳感器的故障漂移值進行漂移狀態估計，獲得所述各個傳感器的漂移狀態估計值；
步驟6、根據所述各個傳感器的漂移狀態估計值，確定所述冗餘傳感器量測系統的漂移因子；
步驟7、根據所述漂移因子對所述各個傳感器的漂移狀態估計值進行補償，以獲得補償後的各個傳感器的輸出；
步驟8、將所述補償後的各個傳感器的輸出作為所述冗餘傳感器量測系統的輸出。
進一步的，所述步驟1中的量測方程為m＝Hω+ε，其中m是量測向量，H是n×3維的傳感器量測矩陣，n為布置的傳感器個數，ω是被量測的真實狀態向量，ε是均值為0的噪聲序列；
所述步驟2中的奇偶向量P＝Vm，其中矩陣V與所述傳感器量測矩陣H的矩陣積VH＝0。
進一步的，所述步驟3中通過線性變換將所述奇偶向量轉化表決向量，進而獲得所述表決矩陣
進一步的，所述步驟4中，根據所述表決矩陣，建立的所述容錯系統的狀態方程和量測方程如下：
狀態方程：dk+1＝dk+Wk，
量測方程：zk＝h(d)＝[Z1Z2]T，
且
其中，k為觀測時刻，dk為某傳感器在第k時刻的觀測漂移；Wk為所述某傳感器第k+1時刻相對第k時刻的漂移變化量；di是傳感器i的漂移，mdi是包含量測噪聲和漂移的傳感器i的輸出，mi是傳感器i含有量測噪聲的真實量測值。
進一步的，所述步驟6中的漂移因子包含先驗漂移因子和當前漂移因子兩部分。
進一步的，所述步驟6中的漂移因子
α＝diag(α1(t)α2(t)…αi(t)…αn(t))，
其中，αi(t)為t時刻的傳感器i的漂移因子。
進一步的，所述補償後的各個傳感器的輸出為：
其中，di(t)是t時刻的傳感器i的實際漂移，是di(t)的漂移狀態估計值，qi為傳感器i的反饋增益，dci(t)是傳感器i補償後的漂移值；mdi是補償前包含量測噪聲和漂移的傳感器i的輸出，mi是傳感器i含有量測噪聲的真實量測值。
與現有技術相比，本發明提出的冗餘傳感器量測系統的容錯方法，顛覆了原先冗餘傳感器量測系統的容錯設計的思路，具有以下有益效果：
(1)本發明的技術方法，利用漂移狀態估計技術實時地估算出該冗餘傳感器量測系統中的各個傳感器量測信號的漂移誤差值，並用狀態反饋技術對故障傳感器的漂移進行實時補償，不再直接對故障傳感器進行隔離，從而保持了該冗餘傳感器量測系統的冗餘特性。
(2)本發明的技術方案，由於實現了故障傳感器漂移的實時補償，因此不再需要設置門限值及觀察周期，避免了對故障傳感器檢測的主觀性和不及時性，保證了冗餘傳感器量測系統的量測精度，提高冗餘傳感器量測系統的可靠性。
(3)本發明的技術方案，能夠容錯運行，即使冗餘傳感器量測系統中所有的傳感器都發生故障漂移，該冗餘傳感器量測系統仍然能夠穩定運行，具有較好的魯棒性。
附圖說明
圖1是本發明的冗餘傳感器量測系統的容錯方法的流程框圖；
圖2至圖4是本發明具體實施例的三個傳感器的輸出曲線；
圖5是本發明具體實施例的三個傳感器補償後的輸出誤差曲線。
具體實施方式
本發明的主要目的是提高冗餘傳感器量測系統的可靠性。本發明提出了一種冗餘傳感器容錯方法，該方法利用漂移狀態估計和狀態反饋技術對故障漂移進行實時補償，對於漂移故障傳感器不再進行隔離，而是進行實時補償，從而保持了系統的冗餘特性，非常適合可靠性要求高的量測系統。
如圖1所示，為本發明提出的一種冗餘傳感器量測系統的容錯方法，具體步驟如下：
步驟1、根據冗餘傳感器量測系統中的傳感器布置，確定所述冗餘傳感器量測系統的量測方程：
m＝Hω+ε (1)
其中m是量測向量，H是n×3維的傳感器量測矩陣，n為所述冗餘傳感器量測系統中布置的傳感器個數，ω是被量測的真實狀態向量，ε是均值為0的噪聲序列。
步驟2、根據所述量測方程，確定所述冗餘傳感器量測系統的奇偶向量P＝Vm，其中矩陣V使得VH＝0。
步驟3、根據所述奇偶向量，確定所述冗餘傳感器量測系統的表決矩陣，具體地，將奇偶向量P通過線性變換轉化為n個表決向量
Q＝Cvm＝Cv[m1 … mn]T (2)
由此得到表決矩陣
式中，m1,…,mn是n個傳感器的輸出，Cv1,…,Cvn是Cv的行向量，且表決矩陣的主對角線元素全部為0，其餘元素不為0。
步驟4、根據所述表決矩陣，建立用於所述冗餘傳感器量測系統容錯的容錯系統，該容錯系統的狀態方程和量測方程如下：
狀態方程：dk+1＝dk+Wk (4)
量測方程：zk＝h(d)＝[Z1 Z2]T (5)
其中，k為觀測時刻，dk為某傳感器在第k時刻的觀測漂移；Wk為所述某傳感器第k+1時刻相對第k時刻的漂移變化量；di是傳感器i的漂移，mdi是包含量測噪聲和漂移的傳感器i的輸出，mi是傳感器i含有量測噪聲的真實量測值。
步驟5、根據所述狀態方程和量測方程，對所述冗餘傳感器量測系統中的各個傳感器的故障漂移值進行估計，獲得漂移狀態估計值，本實施例採用自適應漸消因子Kalman濾波算法，具體過程如下：
Pk+1/k＝λkPk (8)
Pk+1＝(I-Lk+1Hk+1)Pk+1/k (10)
λk＝max{1,trace(Nk)/trace(Mk)} (15)
上述各式中，k為觀測時刻，dk為傳感器在第k時刻的觀測漂移；是dk的漂移狀態估計值；Lk是第k時刻的觀測增益；λk為漸消因子；I為單位矩陣；Mk、Nk均為計算中間值，是第k時刻的狀態協方差；Rk是第k時刻的量測噪聲方差；h(·)是傳感器的量測輸出方程。
步驟6、根據所述各個傳感器的漂移狀態估計值，確定所述冗餘傳感器量測系統的漂移因子，本實施例中，漂移因子包含先驗漂移因子和當前漂移因子兩部分，具體計算過程如下：
(1)先驗漂移因子
先驗漂移因子表徵的是各個傳感器前期的漂移變化情況，前期漂移變化率越大，先驗漂移因子越大。由傳感器i的漂移變化率可以獲得傳感器i前期的漂移變化情況，即傳感器i的先驗漂移因子。傳感器i的漂移變化率為
由此得到傳感器i的先驗漂移因子為
歸一化
其中，Di(t)是t時刻的傳感器i的實際漂移，是di(t)的漂移狀態估計值，e為常數，αi(t)為t時刻的傳感器i的漂移因子。
(2)當前漂移因子
當前漂移因子表徵的是當前時刻各個傳感器的漂移情況，因此當前漂移因子與當前時刻漂移量和漂移變化率相關，漂移量和漂移變化率越大，當前漂移因子越大。當前漂移因子
歸一化
(3)漂移因子
αi(t)＝βi(t)γi(t) (21)
歸一化
ifαi(t)<0.01,thenαi(t)＝0.01 (23)
最終得到漂移因子為：α＝diag(α1(t)α2(t)…αn(t)) (24)
步驟7、根據所述漂移因子對所述各個傳感器的漂移狀態估計值進行補償，以獲得補償後的各個傳感器的輸出。具體地，一旦所述冗餘傳感器量測系統中的某個傳感器發生故障漂移，步驟5中的容錯系統就能夠實時估計出該傳感器的漂移值，即該傳感器的漂移狀態估計值，進而可以本步驟中利用狀態反饋技術對該傳感器的漂移進行補償，具體操作如下：
式中qi為反饋增益。
由於狀態反饋的作用，對所述冗餘傳感器量測系統的各個傳感器的漂移狀態估計值進行的補償是隨著該漂移狀態估計值的變化而變化的，因此，步驟4中原來用作傳感器故障檢測的量測方程不再正確，即Z1、Z2不再正確。同時由於無法直接獲得用於所述冗餘傳感器量測系統漂移補償的補償系統的量測方程，因此，該補償系統的量測方程可以通過以下兩步來獲得：(1)用補償後的傳感器i的輸出mci替代步驟4的Z1式中的mdi來獲得新Z1方程；(2)Z2保持不變，由此獲得補償後的傳感器i的輸出
其中，di(t)是t時刻的傳感器i的實際漂移，是di(t)的漂移狀態估計值，qi為傳感器i的反饋增益，dci(t)是傳感器i補償後的漂移值；mdi是補償前包含量測噪聲和漂移的傳感器i的輸出，mi是傳感器i含有量測噪聲的真實量測值。
步驟8、將所述補償後的各個傳感器的輸出作為所述冗餘傳感器量測系統的輸出。
為了更好的說明本發明技術方案的效果，現通過一個三傳感器量測系統來具體說明，即所述冗餘傳感器量測系統中布置的傳感器個數n＝3，這三個傳感器分別為傳感器1、傳感器2、傳感器3，對應所述冗餘傳感器量測系統的三個量測向量m1、m2、m3。
假設傳感器1、傳感器2、傳感器3同時量測一個狀態x，則有
從而可以獲得兩個奇偶方程
奇偶方程:
表決方程:
其中ε1,ε2,ε3分別為三個傳感器的量測噪聲。本實施例中設狀態x為sin(0.5t)。
為了最大可能地反映各種隨機幹擾和隨機誤差對各個傳感器漂移狀態估計值精度的影響，可以採用了蒙特卡洛仿真方法，來仿真各個傳感器在不同時刻發生漂移的情況，具體地，假設三個傳感器的量測噪聲均為均值為0、方差為0.1的高斯白噪聲，其中傳感器1在6s時產生1.5-0.3sin(0.5t)-0.2cos(t)的時變漂移，傳感器2在13s時產生-2(1-e-0.1t)的時變漂移，傳感器3在18s時產生3(1-e-t)+0.1sin(0.25t)的時變漂移，仿真結果如圖2-5所示，圖2為傳感器1的輸出曲線，圖3為傳感器2的輸出曲線，圖4為傳感器3的輸出曲線，圖5為三個傳感器的漂移狀態估計值的補償值(即量測值的補償誤差)。圖2至圖5的仿真結果表明：本發明的冗餘傳感器量測系統容錯方法，能夠實時糾正所有的故障漂移傳感器，即使所有傳感器都發生故障漂移，該方法也能有效地補償故障漂移，保證了該冗餘傳感器量測系統的正常工作，增加了該冗餘傳感器量測系統的魯棒性和可靠性，非常適合可靠性要求高的慣性元件測量系統。
以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。