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摘要：随着电气、气动、结构等相关技术的突飞猛进和行业发展的迫切需要，近年来无人机系统设备和系统集成技术日新月异。随着无人机电源的发展，电气测试系统变得越来越重要。由于航空电源系统具有测试信号多、数据量大、处理复杂等特点，要求测试系统具有多通道高速实时同步采集、实时存储等功能。通过对无人机电气系统故障特性的研究，故障分类器对大多数传感器的故障诊断的正确率较高，尤其是对正常状态的误判状况很少，可以大大节省系统资源的占用，提高系统的实时性。
关键词：无人机；电气系统；故障
无人机电源系统是无人机的关键系统之一，为机上各系统提供稳定可靠的能源，它的工作状态及运行质量将直接影响无人机和全系统的正常工作，对无人机系统的功能和性能起到关键、决定性作用。现代无人机正向多电、全电方向发展，这将使无人机用电量急剧增加。为了保证机载用电设备在各种条件下能够正常工作，对无人机电源的可靠性提出了更高的要求。无人机可持久的在危险或者人员难以触及的环境中执行任务的特性，使其在军事和民用等领域扮演着越来越重要的角色。虚拟仪器技术秉承“软件即是仪器”的设计思想，为故障诊断的精确性、可靠性以及全面性提供保证。
一、慨述
无人机电气系统故障诊断技术是一门涉及多方面知识的学科，主要特色就是把信号分析、工程控制、智能算法、机器学习、信息技术等领域中新产生的方法运用到特定对象的故障检测与诊断。对于故障诊断技术的分类方法，至今为止并没有达成权威的标准。从现实研究过程中使用的理论方法和策略来看，可分为基于模型的故障诊断技术，基于知识的故障诊断技术和基于数据的故障诊断技术三大类别。基于模型的故障诊断技术精确性比较高，但是必须已知所研究系统的精确数学模型，而基于知识的故障诊断技术侧重于逻辑推理而非精确计算，这两者都必须已知关于过程内容的全部或部分先验知识，这个过程内容往往很难获得，故障诊断结果的优劣仍然在很大程度上依赖于模型或知识的精确性。基于数据的故障诊断方法其优劣主要取决于所获得的数据的全面与否和正确与否，故而它也存在一些不足。无人机是航空、电子等众多高科技成果的集成，结构复杂，涉及广泛的知识，算法的选取必须根据具体的应用环境结合算法的特性，以确定故障诊断方案。
二、无人机电气系统故障分析
1、无人机电气系统。无人机电气系统不发生故障或迅速排除故障是确保其正常工作的关键。若其电气系统出现故障，往往使整个飞机飞不起来。电气系统故障可能导致飞控控制系统复位，无人机失去控制偏离预定航线，飞行姿态不稳定等问题。因此，对无人机电气系统的故障诊断的相关技术进行研发是非常重要的。一般来讲，无人机电气系统由一套或多套供电系统和用电设备组合而成，供电系统在整个无人机电气系统中占据着举足轻重的地位，它的作用是向无人机上所有用电设备(如飞行控制系统、各种电子设备、传感器、无线电系统等)连续地提供满足技术性能规定的电能，保证用电设备的正常工作。无人机上的用电设备一般来讲包括飞行控制器、传感器系统、各控制舵的伺服电机以及机载设备等。
2、无人机电气系统故障
（1）电源故障
开路电压：电池端电压，开路电压是指在供电电路打开状态下，电池两极之间的电平差异，其大小约等于电池两端电势差。
工作电压：负载电压／放电电压，在电池上的负载过程中呈现的放电电压，电池负载导通，由于欧姆电阻和超电动势的存在，电池电压低于开路电压，电池的放电电压的变化平滑度指示放电精度，电池的电压值的电压电平的平滑度也依赖于放电条件，大电流，低温放电，电池电压降低的平滑程度的下降。
电池容量：单位体积或每单位质量的电能单元在一定放电条件下，电池的充电容量的电池，可从被调用。通常表示符号C，单位安培小时(A．h)。
内阻：电池放电过程中由于内部电阻作用会造成电压损耗，该电阻被称为内电阻。电池内阻一般是不恒定的，作为电池的化学物质，电解质浓度和温度的综合对其产生影响，故而会波动性改变，所以在放电过程中的电阻随时间变化的。在小电流放电时，电池的内部电阻所产生的阻碍不明显，但在大电流放电时，电池的电阻大幅度增加，其上的电压降损失会达到很大的一个值鲫。
自由放电：自由放电是指电池在存放过程中的还原能力，在无负载时的电池的自放电，由于内部自放电引起的容量损失。
（2）电路故障。电路出现故障包括短路和断路(或开路)。短路分为用电器短路如灯座短路和电源短路，断路包括接线断开、接触不良等情况。断路的本质是电路两点间的电阻无穷大，短路的本质是电路两点问的电阻趋于零。一般相比较而言，短路危害大于断路，极易烧毁电源或用电器甚至发生爆炸等危险。在电路故障诊断阶段着重检测短路和主电源线路开路的故障情况。
短路故障。短路发生位置不同所产生的现象和造成的危害也不相同，一般发生短路的位置越靠近于电源干路处所造成的危害就越大。判断位置的依据主要是经过几个次级电源或限流保险丝，经过的次级电源或限流保险丝个数越多则距电源干路越远。无人机上次级电源或限流保险丝具有短路保护功能，当次级电源或限流保险丝以下的电路发生故障时会自动断开该电路起到保护作用。当电源干路发生短路后，干路电流会瞬间增大，电池温度急剧上升直至烧毁电路或电源。当非干路电路发生短路后，干路电流会迅速上升到一个极高值，当保险丝熔断或次级电源启动短路保护机制后干路电流恢复到原先水平或略低于原先水平，这种情况下一般电源温升不明显［1］。
断路故障。断路故障又包括完全断开和接触不良的情况。由于无人机电路比较复杂、某些传感器等用电器耗电量极小，使用电流检测法难以检测小电流用电器电路开路故障。故可以将小电流用电器电路开路故障诊断任务划归到传感器故障诊断任务中，既保证了诊断的准确性，又能有效减小诊断的复杂度。本节的短路故障仅包含干路完全断开和接触不良故障状况。
三、无人机电气系统故障诊断策略
1、电源故障诊断策略。对电源进行故障诊断，首先是在起飞前确定可充电电池拥有足够的电量，另外保证系统工作时电源能够提供满足要求的电压，检测过压及欠压故障。起飞前通过检测电源的实际开路电压和标称开路电压可以确定电池的放电深度，结合数据库中存储的电池容量信息可以计算出的电池的实际电量。起飞后通过实时功率修正电池的理论工作电压，与实际工作电压值进行比较，可以检测过压及欠压故障的发生。并且可以实时计算修正续航时间，为操纵者制定任务计划。
2、电路故障诊断策略。首先是短路故障，考虑到温度检测法延迟较大且难以检测到非干路电流的短路故障，因此采用干路串联电流传感器的方法诊断电路故障。当检测到持续大电流时则判定为干路短路故障，当检测到短时大电流时则为局部短路故障。对于电源干路断路故障的诊断类似于上述诊断方法。如果检测到干路电流变为O则判定发生干路断路且完全断开的故障，检测到干路电流异常减小或间歇性变为0判定出现干路电路接触不良故障。
基于故障分类器对故障的识别准确率存在较明显差异说明故障特征选的方式有待改善，在今后的工作中可以考虑选取其它更好的故障特征。
参考文献：
[1] 马岩，曹金成．基于BP神经网络的无人机故障诊断专家系统研究[J]．长春理工大学学报，2019，34(4)：19
[2] 邱宏峰，谢勇．某型无人直升机飞行传感器故障模拟与容错技术研究木[J]．机电工程，2018，27(8).
[3] 黄江涛，王明辉．基于动态权值的多分类器故障诊断系统[J]．电子学报，2018，48.