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结合姿态不变性特征和半监督RDC-GAN模型的飞控系统故障诊断方法

张景森 侯彪 李志杰 毕文平 邬子同

张景森, 侯彪, 李志杰, 毕文平, 邬子同. 结合姿态不变性特征和半监督RDC-GAN模型的飞控系统故障诊断方法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250964
引用本文: 张景森, 侯彪, 李志杰, 毕文平, 邬子同. 结合姿态不变性特征和半监督RDC-GAN模型的飞控系统故障诊断方法[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250964

结合姿态不变性特征和半监督RDC-GAN模型的飞控系统故障诊断方法

doi: 10.11999/JEIT250964 cstr: 32379.14.JEIT250964
基金项目: 国家自然科学基金(62171347, 62101405, 62501450)中国博士后科学基金(2024M762544)
详细信息
    作者简介:

    张景森:男,博士生,研究方向为无人集群控制,无人机故障诊断

    侯彪:男,教授,博士生导师,研究方向为无人系统,智能图像感知与理解

    李志杰:男,工程师,研究方向为故障预测和健康管理,无人机故障诊断

    毕文平:男,工程师,研究方向为故障预测和健康管理,无人机故障诊断

    邬子同:男,讲师,研究方向为无人机智能导航,遥感图像判读和图像处理

    通讯作者:

    侯彪 avcodec@hotmail.com

  • 中图分类号: TP183; TP391

Funds: National Natural Science Foundation of China(62171347, 62101405, 62501450) China Postdoctoral Science Foundation (2024M762544)
  • 摘要: 无人机的飞控系统故障诊断主要面临以下两大挑战:其一,作为新兴的空中飞行平台,无人机可用于故障诊断的有效训练数据规模有限,存在显著的训练数据匮乏问题;其二,作为高机动性空中飞行平台,无人机在不同飞行姿态下的数据分布差异显著,存在数据环境高度变动的问题。针对这两种挑战,该文提出了一种结合姿态不变性特征和半监督RDC-GAN模型的飞控系统故障诊断方法。方法首先通过基于微分平坦的数据筛选将无人机数据分为姿态相关数据和姿态不相关数据;对于姿态相关数据,利用EMD-SENet提取对姿态变化具有鲁棒性的姿态不变性特征;之后采用自适应特征融合模块将姿态不相关数据、姿态相关数据和提取到的姿态不变性特征进行加权融合;最后将融合特征送入半监督RDC-GAN模型进行两阶段训练:第一阶段采用无监督训练,利用大量无标签数据对模型网络权重初始化,第二阶段采用有监督训练,通过少量有标签数据进一步对网络权重进行微调,从而实现仅用少量有效数据就能精确诊断出无人机飞控故障的目的。方法在公开数据集RflyMad上整体精度达到了95.71%,在真机故障诊断实验中的整体精度达到了92.78%。
  • 图  1  所提算法整体流程图

    图  2  EMD-SENet结构

    图  3  自适应特征融合模块

    图  4  RDNet模型结构

    图  5  五种不同姿态模式下的陀螺仪故障数据

    图  6  用于RDC-GAN模型训练的真实数据和伪造数据

    图  7  本方法损失函数曲线图

    图  8  本方法准确率曲线图

    图  9  本方法混淆图

    图  10  不同姿态性关性阈值下的算法表现

    图  11  实机实验环境

    图  12  无人机三种姿态模式

    图  13  实机在线故障诊断结果

    表  1  改进的RDNet网络结构

    层级名称所包含主要结构描述输出特征图尺寸
    输入层/输入数据128$ × $128
    头卷积层[4$ × $4 conv]+LayerNorm改变特征尺寸和通道数32$ × $32
    Staget1$ \left[\begin{matrix}7×7\mathrm{conv}\\ 1×{1}_{}\mathrm{conv}\\ \end{matrix}\right]×4 $
    [1$ × $1 conv] $ × $4
    4个Dense Block
    4个Stage内过渡层
    增长率64
    32$ × $32
    过渡层[2$ × $2 conv]+LayerNormStage间过渡层16$ × $16
    Staget2$ \left[\begin{matrix}7×7\mathrm{conv}\\ 1×{1}_{}\mathrm{conv}\\ \end{matrix}\right]×4 $
    [1$ × $1 conv] $ × $4
    4个Dense Block
    4个Stage内过渡层
    增长率104
    16$ × $16
    过渡层[2$ × $2 conv]+LayerNormStage间过渡层8$ × $8
    Staget3$ \left\{\left[\begin{matrix}7×7\mathrm{conv}\\ 1×{1}_{}\mathrm{conv}\\ \end{matrix}\right]×4\right\}×4 $
    {[1$ × $1 conv] $ × $4}$ × $4
    4组Dense Block
    增长率为128
    4组Stage内过渡层
    8$ × $8
    输出层全局池化+LayerNorm
    [3$ × $3 conv]$ × $3
    全连接层
    输出结果1$ × $1
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    表  2  姿态不变性特征(Zsa)和姿态相关数据(Zre)Fisher Score对比

    数据类型 统计特征法 向量距离法
    Zsa Zre Zsa Zre
    磁力计x 125.89 0.28 15.61 2.10
    磁力计y 104.16 0.02 12.46 1.08
    磁力计z 465.91 4.55 35.37 11.01
    陀螺仪x 192.04 28.50 6.40 2.58
    陀螺仪y 129.78 9.37 3.47 0.79
    陀螺仪z 383.27 8.23 9.76 3.55
    加速度计x 4.62 0.17 6.69 2.77
    加速度计y 8.66 0.12 2.01 0.55
    加速度计z 1.53 0.24 0.66 0.26
    均值 186.42 8.54 13.45 2.37
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    表  3  各类方法在RflyMad 数据集上诊断精度 单位:%

    方法方法[12]方法[13]方法[14]方法[8]方法[15]方法[16]方法[17]本文方法
    GNSS故障85.31±1.2592.25±1.5192.41±1.2191.21±1.3190.12±1.4292.45±0.8793.21±0.7595.29±0.58
    加速度计故障87.13±1.5290.34±1.0490.27±1.6490.07±0.9388.26±1.1391.63±0.7991.97±0.7793.54±0.49
    磁力计故障83.28±0.5688.92±0.8689.34±0.8786.32±0.6287.18±0.5691.12±0.6491.25±0.6593.51±0.37
    陀螺仪故障85.45±0.4389.35±1.5690.15±0.5588.41±0.9785.91±0.5291.87±0.6192.27±0.4894.27±0.41
    无故障94.16±0.2897.39±0.4397.83±0.2997.62±0.3495.56±0.4497.51±0.3297.43±0.24100±0.00
    整体精度88.41±0.8691.89±0.8292.15±0.7491.57±0.7690.08±0.6292.84±0.6193.54±0.5195.71±0.25
    平均精度87.06±1.0791.65±1.1292.04±0.8190.72±0.5989.41±0.5392.53±0.5492.90±0.4595.32±0.31
    卡帕系数87.91±0.9491.56±1.0492.07±0.7891.25±0.6289.52±0.6592.64±0.5993.01±0.4695.41±0.29
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    表  4  主干网络模型对比

    主干网络参数量/MFLOPs/G推理耗时/ms整体精度/%平均精度/%卡帕系数/%
    RDNet12.851.152.94±0.03795.71±0.2595.32±0.3195.41±0.29
    ResNet-5023.511.321.73±0.02493.43±0.6793.25±0.8993.37±0.73
    DenseNet-1216.960.924.43±0.05193.97±0.5393.51±0.6593.53±0.68
    ConvNeXt-tiny28.581.461.35±0.04894.24±0.4993.91±0.5494.08±0.51
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    表  5  实机飞行故障诊断时间统计表 单位:s

    飞行状态匀速模式盘旋模式悬停模式
    磁力计故障1.02±0.130.94±0.111.35±0.11
    加速度计故障1.25±0.141.05±0.091.41±0.08
    陀螺仪故障0.93±0.080.89±0.071.15±0.09
    GNSS故障0.62±0.070.63±0.080.73±0.06
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    表  6  实机飞行故障诊断虚警统计表

    匀速模式盘旋模式悬停模式
    磁力计故障2次1次3次
    加速度计故障2次0次1次
    陀螺仪故障1次1次2次
    GNSS故障0次0次0次
    总持续时间4.94s1.33s6.31s
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出版历程
  • 修回日期:  2025-12-12
  • 录用日期:  2025-12-12
  • 网络出版日期:  2025-12-18

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