一種冗余傳感器量測系統的容錯方法技術方案

本發明專利技術提供了一種冗余傳感器量測系統的容錯方法，包括：獲取冗余傳感器量測系統的量測方程；確定奇偶向量和表決矩陣；建立容錯系統的狀態方程和量測方程；獲得冗余傳感器量測系統的傳感器的漂移狀態估計值；根據漂移狀態估計值，確定漂移因子；對故障傳感器的漂移狀態估計值進行反饋補償；將補償后的傳感器輸出作為系統輸出。該容錯方法能夠對故障傳感器的漂移進行實時補償，保證了系統的冗余特性，同時不再需要門限值及觀察周期，能夠容錯運行，即使所有的傳感器都發生故障漂移，系統仍然能夠穩定運行，具有較好的魯棒性。

【技術實現步驟摘要】
一種冗余傳感器量測系統的容錯方法
本專利技術涉及傳感器量測
，特別涉及一種冗余傳感器量測系統的容錯方法。
技術介紹
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采用幾何冗余設計，即利用傳感器的余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，并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：第一種是基于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余傳感器量測系統保持其冗余特性，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余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，系統由于失去其冗余特性而無法正確地診斷和隔離出故障傳感器，因此，鑒于傳感器固有的漂移特性，需要一種冗余傳感器量測系統容錯方法，能夠使得冗余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余特性和精度。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術解決問題是：針對傳感器固有的漂移特性，提供一種冗余傳感器量測系統的容錯方法，能夠使得冗余傳感器系統具有自我修復和補償的功能，由此保證系統的冗余特性和精度。為了達到上述目的，本專利技術采用如下技術方案：一種冗余傳感器量測系統的容錯方法，具體步驟如下：步驟1、根據冗余傳感器量測系統中的傳感器布置，確定所述冗余傳感器量測系統的量測方程；步驟2、根據所述量測方程，確定所述冗余傳感器量測系統的奇偶向量；步驟3、根據所述奇偶向量，確定所述冗余傳感器量測系統的表決矩陣；步驟4、根據所述表決矩陣，建立用于所述冗余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余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，確定所述冗余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，以獲得補償后的各個傳感器的輸出；步驟8、將所述補償后的各個傳感器的輸出作為所述冗余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，所述補償后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補償后的漂移值；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，本專利技術提出的冗余傳感器量測系統的容錯方法，顛覆了原先冗余傳感器量測系統的容錯設計的思路，具有以下有益效果：(1)本專利技術的技術方法，利用漂移狀態估計技術實時地估算出該冗余傳感器量測系統中的各個傳感器量測信號的漂移誤差值，并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，從而保持了該冗余傳感器量測系統的冗余特性。(2)本專利技術的技術方案，由于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，保證了冗余傳感器量測系統的量測精度，提高冗余傳感器量測系統的可靠性。(3)本專利技術的技術方案，能夠容錯運行，即使冗余傳感器量測系統中所有的傳感器都發生故障漂移，該冗余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是本專利技術的冗余傳感器量測系統的容錯方法的流程框圖；圖2至圖4是本專利技術具體實施例的三個傳感器的輸出曲線；圖5是本專利技術具體實施例的三個傳感器補償后的輸出誤差曲線。具體實施方式本專利技術的主要目的是提高冗余傳感器量測系統的可靠性。本專利技術提出了一種冗余傳感器容錯方法，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，對于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余特性，非常適合可靠性要求高的量測系統。如圖1所示，為本專利技術提出的一種冗余傳感器量測系統的容錯方法，具體步驟如下：步驟1、根據冗余傳感器量測系統中的傳感器布置，確定所述冗余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為所述冗余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，確定所述冗余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，確定所述冗余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，其余元素不為0。步驟4、根據所述表決矩陣，建立用于所述冗余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)＝[Z1Z2]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，對所述冗余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，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種冗余傳感器量測系統的容錯方法，其特征在于，包括下列步驟：步驟1、根據冗余傳感器量測系統中的傳感器布置，確定所述冗余傳感器量測系統的量測方程；步驟2、根據所述量測方程，確定所述冗余傳感器量測系統的奇偶向量；步驟3、根據所述奇偶向量，確定所述冗余傳感器量測系統的表決矩陣；步驟4、根據所述表決矩陣，建立用于所述冗余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余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，確定所述冗余傳感器量測系統的漂移因子；步驟7、根據所述漂移因子對相應的傳感器的漂移狀態估計值進行補償，以獲得補償后的各個傳感器的輸出；步驟8、將所述補償后的各個傳感器的輸出作為所述冗余傳感器量測系統的輸出。

【技術特征摘要】
1.一種冗余傳感器量測系統的容錯方法，其特征在于，包括下列步驟：步驟1、根據冗余傳感器量測系統中的傳感器布置，確定所述冗余傳感器量測系統的量測方程；步驟2、根據所述量測方程，確定所述冗余傳感器量測系統的奇偶向量；步驟3、根據所述奇偶向量，確定所述冗余傳感器量測系統的表決矩陣；步驟4、根據所述表決矩陣，建立用于所述冗余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余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，確定所述冗余傳感器量測系統的漂移因子；步驟7、根據所述漂移因子對相應的傳感器的漂移狀態估計值進行補償，以獲得補償后的各個傳感器的輸出；步驟8、將所述補償后的各個傳感器的輸出作為所述冗余傳感器量測系統的輸出。2.如權利要求1所述的冗余傳感器量測系統的容錯方法，其特征在于，步驟1中所述的量測方程為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；步驟2中所述的奇偶向量P＝Vm，其中矩陣V與所述傳感器量測矩陣H的矩陣積VH＝0。3.如權利要求1所述的冗余傳感器量測系統的容錯方法，其特征在于，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

【專利技術屬性】
技術研發人員：戴曉強，吳飛，章建峰，萬振剛，趙強，袁文華，
申請(專利權)人：江蘇科技大學，江蘇舾普泰克自動化科技有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇,32