基于自适应观测器的飞机起落架作动器故障检测与诊断

《Advances in Mechanical Engineering》：Adaptive observer-based fault detection and diagnosis for aircraft landing gear actuators

　　

该研究旨在提出一种用于飞机起落架航电系统中作动器故障检测的基于观测器的诊断结构。该观测器通过比较测得与估计的起落架位置来估计系统状态，生成用于检测和辨识作动器故障的残差（residual）。该方法考虑前起落架与主起落架的全部运动。通过将作动器故障建模为加性扰动（additive disturbance），并使残差分析适应运行阶段，该方法在对故障保持高灵敏度的同时维持鲁棒性，适用于实时航空航天应用。一个作为决策块的推理步骤根据观测器与传感器生成的残差信号判断故障存在并辨识异常。该研究强调方法学适配而非理论新颖性，表明经典观测器在针对起落架作动器运行动力学精细整定后，可形成有效、可解释且可认证的故障诊断方案。仿真结果表明在标称与故障条件下均实现准确状态估计和有效故障检测，证实该方法适用于航空航天应用。

研究背景方面，起落架是飞机设计与运行中的关键子系统，在起飞、着陆和地面机动过程中保障安全与稳定，支撑机体地面重量并吸收跑道接触时的冲击载荷。2013年至2022年间，起落架相关失效造成756起事故与2072例死亡，约占年度航空事故的18%，因此对其健康状态进行连续准确监测十分必要。现有故障检测与诊断（Fault Detection and Diagnosis，FDD）方法主要分为基于模型与数据驱动两类：数据驱动方法常需大量训练数据，且在工况变化时鲁棒性不足；基于模型方法依赖模型精度，难以在模型不确定性和外部扰动下区分故障。起落架作动器具有切换动力学和关键安全作用，但在文献中研究不足。研究人员提出一种面向起落架作动器、适配其运行阶段与切换动力学的增强型FDI方法，基于轻量且可解释的Luenberger观测器，仅用位置传感器数据即可运行，可嵌入航电平台。论文发表在《Advances in Mechanical Engineering》。结论是：经典观测器经针对运行动力学的方法学适配，可提供有效、可解释、可认证的FDD方案；仿真在标称与故障条件下均显示准确状态估计与有效故障检测，适合航空航天实时应用。

主要关键技术方法包括：建立质量-弹簧-阻尼表示的起落架振动系统，并推导含机体俯仰、滚转与三个支柱位移的二阶微分方程；通过变量变换得到状态空间模型，定义状态向量、输入向量及矩阵A、B、C；将作动器故障建模为加性扰动，设计Luenberger观测器生成残差；按运行阶段进行上下文感知的残差解释，并以决策块推理故障存在与异常类型。无样本队列来源。

Landing gear mathematical model

研究人员将系统假设为质量-弹簧-阻尼系统，减振器为油气式并耗散冲击能量，忽略横向与气动力。物理模型具有六自由度，包含机体 bounce、pitch、roll 以及前起落架 y₁、左主起落架 y₂、右主起落架 y₃ 的位移，参数为重心到前、主起落架的距离 a、b、d、e。该部分说明建模前提与几何关系，为后续动力学方程提供基础。

Landing gear differential equations representation

研究人员用拉格朗日法由动能与势能差导出二阶微分方程，得到机体质量M、转动惯量 I_yy 与 I_xx、各支柱质量 m₁、m₂、m₃、悬挂刚度 k_s1-k_s3、轮胎刚度 k_t1-k_t3、阻尼 c_s1-c_s3 与 c_t1-c_t3，以及广义力 Q₁-Q₃ 和跑道激励 y_g1-y_g3 的耦合关系。该部分表明着陆冲击与地面相互作用可用结构化动力学方程描述。

Landing gear state-space representation

研究人员通过降阶变量变换，将二阶微分方程写成 ?(t)=A x(t)+B u(t) 与 y(t)=C x(t)。状态向量 x 包含12个分量，输入向量 u 包含作动力 Q₁-Q₃、跑道位移与速度及常数项，矩阵 B 与 C 被显式给出，A 按子块 A₁-A₃ 组织。该部分为观测器设计提供线性状态空间基础。

Fault estimation scheme using Luenberger observer design

研究人员采用Luenberger观测器，用测得位置与估计位置之差形成残差；作动器故障作为加性项进入模型，观测器增益按高故障灵敏度与低误报设计。该部分说明残差对传感器、作动器、系统参数三类异常具有不同特征，并通过运行阶段适配提高可解释性。

Simulation and results

研究人员在标称与注入作动器故障条件下仿真。结果显示观测器能准确跟踪起落架位置与状态，残差在故障出现时显著偏离，决策块可判定故障并区分异常来源；不同运行阶段阈值随上下文调整，误报率降低。该部分证明方法在嵌入式实时条件下的有效性。

讨论部分总结：研究人员指出，工业场景中的FDD常受噪声、随机波动与模型不确定性影响；本文通过故障敏感残差与上下文感知解释降低误报，提升可信性。方法虽面向飞机起落架，但可推广至更广泛的安全关键航空航天系统。数据驱动方法训练负担大，传统模型方法易受不确定项干扰，本文以方法学适配而非复杂非线性建模取得精度与实时性的平衡。

研究结论部分翻译：本文提出一种基于Luenberger观测器、适配起落架作动器运行阶段与切换动力学的增强型FDD方法。该方法采用加性故障建模、鲁棒增益设计和上下文感知残差解释框架。仿真结果表明，在标称与故障条件下均实现准确状态估计与有效故障检测。尽管重点在飞机起落架系统，该方法可适配至更广泛的安全关键航空航天系统。未来研究可在结论部分指出的方向上扩展。