飞行器中的设备管理器和该设备管理器中的健康管理器

1.一种健康管理器，其特征在于，该健康管理器包括串行通用接口SPI总线，与SPI总线连接的故障诊断单元、故障预测单元、系统重构单元以及故障检测与隔离单元；
所述故障诊断单元通过SPI总线接收飞行器子系统和综合电子系统发送的关于各自运行状况的数字信号，进行故障诊断，诊断出故障后将故障类型发送给系统重构单元；所述故障预测单元通过SPI总线接收飞行器子系统和综合电子系统发送的数字信号，进行故障预测，在预测出将要出现故障时，将故障类型发送给系统重构单元；所述系统重构单元接收故障诊断单元和故障预测单元发送的故障类型，进行相应的故障维护，在维护成功时通过SPI总线向综合电子系统发送维护成功的反馈信息，在维护失败时向故障检测与隔离单元发送维护失败指示；所述故障检测与隔离单元接收所述系统重构单元发送的维护失败指示，对维护失败的故障进行隔离，再通过SPI总线向综合电子系统发送成功隔离故障的反馈信息。
2.一种飞行器中的设备管理器，其特征在于，该设备管理器包括SPI总线，以及与SPI总线连接的健康管理器、综合电子系统和飞行器子系统；所述健康管理器包括故障诊断单元、故障预测单元、系统重构单元以及故障检测与隔离单元；
所述综合电子系统接收地面发送的健康管理指令，通过SPI总线向各个飞行器子系统发送健康管理指令；飞行器子系统接收健康管理指令，采集自身运行状况的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，进行算法处理，将处理后的数字信号通过SPI总线传送给所述故障诊断单元和所述故障预测单元；并且，综合电子系统接收地面发送的健康管理指令后，还采集自身运行状况的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，进行算法处理，将处理后的数字信号通过SPI总线传送给所述故障诊断单元和所述故障预测单元；
所述故障诊断单元通过SPI总线接收飞行器子系统和综合电子系统发送的数字信号，进行故障诊断，诊断出故障后将故障类型发送给系统重构单元；所述故障预测单元通过SPI总线接收飞行器子系统发送的数字信号，进行故障预测，在预测出将要出现故障时，将故障类型发送给系统重构单元；所述系统重构单元接收故障诊断单元和故障预测单元发送的故障类型，进行相应的故障维护，在维护成功时通过SPI总线向综合电子系统发送维护成功的反馈信息，在维护失败时向故障检测与隔离单元发送维护失败指示；所述故障检测与隔离单元接收所述系统重构单元发送的维护失败指示，对维护失败的故障进行隔离，再通过SPI总线向综合电子系统发送成功隔离故障的反馈信息。
3.如权利要求2所述的设备管理器，其特征在于，所述飞行器子系统包括传感器节点和健康状况监测单元，所述传感器节点通过SPI总线接收综合电子系统发送的健康管理指令，采集该传感器节点所在飞行器子系统运行状况的模拟信号，传送给健康状况监测单元；
所述健康状况监测单元将接收到的模拟信号转换为数字信号，进行算法处理，将处理后的数字信号通过SPI总线传送给所述故障诊断单元和所述故障预测单元。
4.如权利要求2所述的设备管理器，其特征在于，所述综合电子系统包括传感器节点和健康状况监测单元；
所述传感器节点接收地面通过无线方式发送的健康管理指令，通过SPI总线向各个飞行器子系统发送健康管理指令；并且，所述传感器节点接收地面通过无线方式发送的健康管理指令后，还采集综合电子系统运行状况的模拟信号，传送给健康状况监测单元；所述健康状况监测单元将接收到的模拟信号转换为数字信号，进行算法处理，将处理后的数字信号通过SPI总线传送给所述故障诊断单元和所述故障预测单元。
5.如权利要求2所述的设备管理器，其特征在于，与SPI总线连接的健康管理器为两个，其中一个为主健康管理器，另一个为备健康管理器；
所述综合电子系统接收地面发送的健康管理指令后，如果通过SPI总线检测到主健康管理器出现故障，则通过SPI总线向备健康管理器发送启动指令以启动备健康管理器；所述综合电子系统和所述飞行器子系统将处理后的数字信号发送给已经启动的备健康管理器。

飞行器中的设备管理器和该设备管理器中的健康管理器\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及通信技术领域，尤其涉及飞行器中的设备管理器以及该设备管理器中的健康管理器。\n背景技术\n[0002] 参见图1，为现有技术飞行器中设备管理器的结构示意图，所述飞行器指飞艇、卫星、飞机、飞船、火箭、导弹等。该设备管理器包括串行通用接口(SPI，Serial Peripheral Interface)总线，以及与SPI总线连接的综合电子系统和飞行器子系统。\n[0003] 综合电子系统，用于对飞行器进行整体控制，具体包括对各飞行器子系统进行控制。\n[0004] 飞行器子系统指图中的推进子系统、姿轨控子系统和结构子系统等。针对不同的飞行器，有不同的飞行器子系统组合；例如：对于飞艇，包括结构子系统；对于卫星，包括推进子系统、姿轨控子系统和结构子系统。图1中以卫星为例，示出了卫星包含的飞行器子系统。下面对部分飞行器子系统进行说明：\n[0005] 推进子系统，用于改变航天器的方向和姿态。可置于火箭、卫星上。\n[0006] 姿轨控子系统，用于控制卫星的姿态和轨道。可置于卫星、飞船上。\n[0007] 结构子系统，用于采集和控制飞行器的机械结构和热结构的物理信号。可置于飞艇、卫星、飞机上。\n[0008] 为了对飞行器进行健康管理，在地面分别设置了四个设备，分别为：故障诊断设备、故障预测设备、系统重构设备和故障检测与隔离设备。\n[0009] 综合电子系统和各个飞行器子系统中都包含传感器节点，在进行健康管理时，地面上的设备通过无线方式向综合电子系统发送健康管理指令，综合电子系统中的传感器节点接收健康管理指令后，通过SPI总线向各个飞行器子系统发送健康管理指令；然后综合电子系统和各个飞行器子系统的传感器节点采集该传感器节点所在飞行器子系统或综合电子系统的运行状况的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号后反馈给地面上的相应设备；相应设备接收到传感器节点发送的数字信号后进行处理以得到关于健康管理的相关信息。下面具体进行说明。\n[0010] 需要对飞行器进行故障诊断时，故障诊断设备通过无线方式向飞行器发送健康诊断指令，飞行器的综合电子系统的传感器节点接收健康诊断指令后，将健康诊断指令传送给各个飞行器子系统；综合电子系统和各个飞行器子系统中包含的传感器节点分别采集该传感器节点所在飞行器子系统或综合电子系统的运行状况的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号后反馈给地面上的故障诊断设备；故障诊断设备对数字信号进行算法处理，根据处理后的最终数据进行故障诊断，得出故障类型；所述算法处理具体可以包括：滤波、去噪、特征提取、数据挖掘等处理。得出故障类型后，故障诊断设备还可以根据系统重构设备的请求，将故障类型发送给系统重构设备。\n[0011] 需要对飞行器进行故障预测时，故障预测设备通过无线方式向飞行器发送健康预测指令，飞行器的综合电子系统的传感器节点接收健康预测指令后，将健康预测指令传送给各个飞行器子系统；综合电子系统和各个飞行器子系统中包含的传感器节点分别采集该传感器节点所在飞行器子系统或综合电子系统的运行状况的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号后反馈给地面上的故障预测设备；故障预测设备对数字信号进行算法处理，根据处理后的数字信号进行故障预测，获得将要发生的故障的类型；所述算法处理具体可以包括：滤波、去噪、特征提取、数据挖掘等处理。得出故障类型后，故障预测设备还可以根据系统重构设备的请求，将故障类型发送给系统重构设备。\n[0012] 需要对故障诊断设备诊断出的故障进行重构时，系统重构设备从故障诊断设备获取故障类型，构建维护指令，发送给综合电子系统，综合电子系统通过传感器节点接收维护指令后，进行相应的维护；如果维护成功，则综合电子系统通过传感器节点向系统重构设备发送维护成功的反馈信息，如果维护失败，则综合电子系统通过传感器节点向系统重构设备发送维护失败的反馈信息。系统重构设备接收维护失败的反馈信息后，还可以根据故障检测与隔离设备的请求，将故障类型发送给故障检测与隔离设备。\n[0013] 需要对故障预测设备预测出的故障进行重构时，系统重构设备从故障预测设备获取故障类型，构建维护指令，发送给综合电子系统，综合电子系统通过传感器节点接收维护指令后，进行相应的维护；如果维护成功，则综合电子系统通过传感器节点向系统重构设备发送维护成功的反馈信息，如果维护失败，则综合电子系统通过传感器节点向系统重构设备发送维护失败的反馈信息。系统重构设备接收维护失败的反馈信息后，还可以根据故障检测与隔离设备的请求，将故障类型发送给故障检测与隔离设备。\n[0014] 需要进行故障隔离时，故障检测与隔离设备从系统重构设备获取故障类型，构建隔离指令，发送给综合电子系统，综合电子系统通过传感器节点接收隔离指令后，进行相应的隔离；如果隔离成功，则综合电子系统通过传感器节点向故障检测与隔离设备发送隔离成功的反馈信息，如果隔离失败，则综合电子系统通过传感器节点向故障检测与隔离设备发送隔离失败的反馈信息。\n[0015] 当然，飞行器中设备管理器的结构并不仅限于图1所示，例如，设备管理器中还可以包括与SPI总线连接的任务管理器，用于进行任务能力恢复，以及进行飞行操作管理；并且，还可以包括与SPI总线连接的操作管理器，用于进行空间指令操作、进行飞行器准备操作以及空间维护。\n[0016] 综上，对飞行器进行健康管理时，需要地面上的四个设备协助完成，飞行器不能独立完成健康管理，缺乏自主性。\n发明内容\n[0017] 本实用新型提供一种飞行器中的设备管理器，该设备管理器能够自主地进行健康管理。\n[0018] 本实用新型还提供了一种健康管理器，该健康管理器能够自主地进行健康管理。\n[0019] 一种飞行器中的设备管理器，该设备管理器包括SPI总线，以及与SPI总线连接的健康管理器、综合电子系统和飞行器子系统；所述健康管理器包括故障诊断单元、故障预测单元、系统重构单元以及故障检测与隔离单元；\n[0020] 所述综合电子系统接收地面发送的健康管理指令，通过SPI总线向各个飞行器子系统发送健康管理指令；飞行器子系统接收健康管理指令，采集自身运行状况的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，进行算法处理，将处理后的数字信号通过SPI总线传送给所述故障诊断单元和所述故障预测单元；并且，综合电子系统接收地面发送的健康管理指令后，还采集自身运行状况的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，进行算法处理，将处理后的数字信号通过SPI总线传送给所述故障诊断单元和所述故障预测单元；\n[0021] 所述故障诊断单元通过SPI总线接收飞行器子系统和综合电子系统发送的数字信号，进行故障诊断，诊断出故障后将故障类型发送给系统重构单元；所述故障预测单元通过SPI总线接收飞行器子系统发送的数字信号，进行故障预测，在预测出将要出现故障时，将故障类型发送给系统重构单元；所述系统重构单元接收故障诊断单元和故障预测单元发送的故障类型，进行相应的故障维护，在维护成功时通过SPI总线向综合电子系统发送维护成功的反馈信息，在维护失败时向故障检测与隔离单元发送维护失败指示；所述故障检测与隔离单元接收所述系统重构单元发送的维护失败指示，对维护失败的故障进行隔离，再通过SPI总线向综合电子系统发送成功隔离故障的反馈信息。\n[0022] 一种健康管理器，该健康管理器包括SPI总线，与SPI总线连接的故障诊断单元、故障预测单元、系统重构单元以及故障检测与隔离单元；\n[0023] 所述故障诊断单元通过SPI总线接收飞行器子系统和综合电子系统发送的关于各自运行状况的数字信号，进行故障诊断，诊断出故障后将故障类型发送给系统重构单元；\n所述故障预测单元通过SPI总线接收飞行器子系统和综合电子系统发送的数字信号，进行故障预测，在预测出将要出现故障时，将故障类型发送给系统重构单元；所述系统重构单元接收故障诊断单元和故障预测单元发送的故障类型，进行相应的故障维护，在维护成功时通过SPI总线向综合电子系统发送维护成功的反馈信息，在维护失败时向故障检测与隔离单元发送维护失败指示；所述故障检测与隔离单元接收所述系统重构单元发送的维护失败指示，对维护失败的故障进行隔离，再通过SPI总线向综合电子系统发送成功隔离故障的反馈信息。\n[0024] 从上述方案可以看出，本实用新型在飞行器的设备管理器中设置与SPI总线连接的健康管理器，通过健康管理器中包含的故障诊断单元、故障预测单元、系统重构单元以及故障检测与隔离单元，实现了对飞行器自主地进行健康管理。\n附图说明\n[0025] 图1现有技术飞行器中设备管理器的结构示意图；\n[0026] 图2为本实用新型飞行器中设备管理器的结构示意图。\n具体实施方式\n[0027] 为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型进一步详细说明。\n[0028] 本实用新型在飞行器的设备管理器中设置与SPI总线连接的健康管理器，通过健康管理器实现对飞行器的自主健康管理。参见图2，为本实用新型提供的飞行器中设备管理器结构示意图，所述飞行器指飞艇、卫星、飞机、飞船、火箭、导弹等。该设备管理器包括SPI总线，以及与SPI总线连接的健康管理器、综合电子系统和飞行器子系统；所述健康管理器包括故障诊断单元、故障预测单元、系统重构单元以及故障检测与隔离单元。\n[0029] 综合电子系统，用于对飞行器进行整体控制，具体包括对各飞行器子系统、健康管理器等进行控制。\n[0030] 飞行器子系统指图中的推进子系统、姿轨控子系统和结构子系统等。针对不同的飞行器，有不同的飞行器子系统组合；例如：对于飞艇，包括结构子系统；对于卫星，包括推进子系统、姿轨控子系统和结构子系统。图2中以卫星为例，示出了卫星包含的飞行器子系统。下面对部分飞行器子系统进行说明：\n[0031] 推进子系统，用于改变航天器的方向和姿态。可置于火箭、卫星上。\n[0032] 姿轨控子系统，用于控制卫星的姿态和轨道。可置于卫星、飞船上。\n[0033] 结构子系统，用于采集和控制飞行器的机械结构和热结构的物理信号。可置于飞艇、卫星、飞机上。\n[0034] SPI总线有可扩展接口，根据各飞行器的需要，可在可扩展接口连接该飞行器需要的各部分部件：例如，对于飞艇，在SPI总线上插入健康管理器、综合电子系统和结构子系统等；对于卫星，在SPI总线上连接健康管理器、推进子系统、姿轨控子系统、综合电子系统和结构子系统等。\n[0035] 在进行健康管理过程中，所述综合电子系统通过无线方式接收地面发送的健康管理指令，通过SPI总线向各个飞行器子系统发送健康管理指令；飞行器子系统接收健康管理指令，采集自身运行状况的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，进行算法处理，将处理后的数字信号通过SPI总线传送给所述故障诊断单元和所述故障预测单元；并且，综合电子系统通过无线方式接收地面发送的健康管理指令后，还采集自身运行状况的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，进行算法处理，将处理后的数字信号通过SPI总线传送给所述故障诊断单元和所述故障预测单元。所述算法处理指对转换后的数字信号进行的优化处理，具体可以包括：滤波、去噪、特征提取、数据挖掘等处理。\n[0036] 所述故障诊断单元通过SPI总线接收飞行器子系统和综合电子系统发送的数字信号，进行故障诊断，诊断出故障后将故障类型发送给系统重构单元；所述故障预测单元通过SPI总线接收飞行器子系统发送的数字信号，进行故障预测，在预测出将要出现故障时，将故障类型发送给系统重构单元；所述系统重构单元接收故障诊断单元和故障预测单元发送的故障类型，进行相应的故障维护，在维护成功时通过SPI总线向综合电子系统发送维护成功的反馈信息，在维护失败时向故障检测与隔离单元发送维护失败指示；所述故障检测与隔离单元接收所述系统重构单元发送的维护失败指示，对维护失败的故障进行隔离，再通过SPI总线向综合电子系统发送成功隔离故障的反馈信息。\n[0037] 上述故障诊断单元根据接收到的关于某一飞行器子系统或综合电子系统的数字信号进行故障诊断，具体地，可以为：接收数字信号，根据数字信号包含的关于飞行器子系统或者综合电子系统的健康历史信息的健康退化情况，生成带有置信度的故障诊断结论；\n该过程中，可运用信息融合与智能推理技术，以提高诊断的准确性。进行故障诊断的方案可采用现有技术实现，这里不赘述。\n[0038] 上述故障预测单元根据接收到的关于某一飞行器子系统或综合电子系统的数字信号进行故障预测的方案，可采用现有技术实现。\n[0039] 上述系统重构单元对综合电子系统或飞行器子系统进行维护，可采用现有技术实现；例如，可以通过冗余备份等手段进行修复，使飞行器子系统恢复正常运行。\n[0040] 上述故障检测与隔离单元进行故障隔离的方案也可采用现有技术实现，这里不赘述。\n[0041] 可选地，所述飞行器子系统包括传感器节点和健康状况监测单元，所述传感器节点通过SPI总线接收综合电子系统发送的健康管理指令，采集该传感器节点所在飞行器子系统运行状况的模拟信号，传送给健康状况监测单元；所述健康状况监测单元将接收到的模拟信号转换为数字信号，进行算法处理，将处理后的数字信号通过SPI总线传送给所述故障诊断单元和所述故障预测单元。\n[0042] 可选地，所述综合电子系统包括传感器节点和健康状况监测单元；所述传感器节点接收地面通过无线方式发送的健康管理指令，通过SPI总线向各个飞行器子系统发送健康管理指令，并且，所述传感器节点接收地面通过无线方式发送的健康管理指令后，还采集综合电子系统运行状况的模拟信号，传送给健康状况监测单元；所述健康状况监测单元接收所述传感器节点传送的模拟信号，转换为数字信号后，进行算法处理，将处理后的数字信号通过SPI总线传送给健康管理器的故障诊断单元和故障预测单元。\n[0043] 本实用新型提供的设备管理器中，可设置一个健康管理器与SPI总线相连，也可以设置两个健康管理器与SPI总线相连；当设置两个健康管理器与SPI相连时，将其中一个设为主健康管理器，将另一个设为备健康管理器。\n[0044] 所述综合电子系统接收地面发送的健康管理指令后，如果通过SPI总线检测到主健康管理器正常，则通过SPI总线向主健康管理器发送启动指令以启动主健康管理器，如果通过SPI总线检测到主健康管理器出现故障，则通过SPI总线向备健康管理器发送启动指令以启动备健康管理器。相应地，所述综合电子系统和所述飞行器子系统将处理后的数字信号发送给已经启动的健康管理器。\n[0045] 当然，飞行器中设备管理器的结构并不仅限于图2所示，例如，设备管理器中还可以包括与SPI总线连接的任务管理器，用于进行任务能力恢复，以及进行飞行操作管理；同时还可以包括与SPI总线连接的操作管理器，用于进行空间指令操作、进行飞行器准备操作以及空间维护。\n[0046] 进一步地，在本实用新型的设计中，还可以将健康管理器设计为运用到一个统一的平台上。具体地，在健康管理器各单元的底层框架实现中，可借鉴欧空局的设计思路，由设计模式和小框架实现；将底层设计按任务分层，分为硬件资源层、设备接口层、系统服务层和应用层四层；底层设计中的实时操作系统和框架都属于服务层，将功能进行封装，针对综合电子系统和各飞行器子系统分别设置不同的健康管理模块，各健康管理模块彼此相互独立，且各健康管理模块对应用层提供接口。\n[0047] 在底层设计的四层中，硬件资源层、设备接口层和系统服务层可采用现有方案实现，下面主要对上层应用层进行说明。对于上层应用层，留出接口，对于不同的飞行器，分别开发各自的健康管理模块，不同的健康管理模块以构件的形式向系统服务层注册。在上层应用层，除了包括现有中的容错模块外，还可以增加健康评估模块和错误恢复模块；当上层应用层检测到故障时，以事件的形式将故障信息传送给健康评估模块，同时将故障信息保存到系统服务层的健康管理事件库中；健康评估模块对故障信息进行评估，如果需要进行故障恢复，向容错模块发送启动指令，容错模块在健康管理事件库中查询是否保存有相应的恢复事件，如果有，则提取该恢复事件，发送给错误恢复模块，错误恢复模块根据该恢复事件执行该恢复过程，完成对故障的处理，该处理具体包括系统重构、隔离；如果容错模块在健康管理事件库中查询出没有保存相应的恢复过程，则向错误恢复模块发送恢复指令，错误恢复模块接收该恢复指令后，生成恢复事件，执行恢复过程，同时，还将生成的该恢复事件存储在系统服务层中的健康管理事件库中。\n[0048] 本实用新型在飞行器中设置健康管理器，实现对飞行器的健康管理，通过健康管理器，便可对飞行器自身状态健康状态进行监控，对出现的故障能够自主修复、隔离；这样，飞行器自主地根据运行中的各种状态参数确定自身的健康状态，进而自主地制定合适的指令序列处理相应的故障。而不用像现有技术那样，需要在地面设置四个分别的设备协助完成，从而，提高了飞行器的自主性。\n[0049] 并且，现有方案中，针对不同的飞行器，地面需要分别设置四个设备，存在分散、成本高等缺陷。而采用本实用新型，可以在各种飞行器内设置通用的健康管理器以实现健康管理，达到了集中、成本低等效果。\n[0050] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。