Aircraft flight parameters estiamtion and sensor fault detection
Estimation de paramètres de vol avion et détection de pannes capteurs
Résumé
The improvement of the aircraft performance and the decrease of the pilots’ workload require more complex new aircraft avionic systems. This complexification paves the way for new constraints, such as improving the availability of the most critical flight parameters used by the pilots (mainly the calibrated airspeed) or by the most advanced flight control systems (as the angle of attack, the altitude pressure or the aircraft weight). Today, their availability is mainly guaranteed by mean of a
strong hardware redundancy (triplex type for civil aircraft). However, this solution is perfectible and penalizes the overall system performances in terms of weight, power consumption, space requirements and extra maintenance needs. Some faults, such as common mode failures, which correspond to simultaneous and consistent faults of at least two sensors measuring a same variable, cannot be detected. In this thesis, a solution based on the principle of the so-called analytical redundancy has been developed to detect them and reconstruct through time the missing signals.
This solution depends on the measurements, and kinematic and flight dynamic equations available. For instance, the lift force equation combines numerous flight parameters of interest. It is of great value in the data fusion process on condition of having an accurate surrogate model (as lookup tables adjusted with flight data, neural network, etc.) to estimate the lift force coefficient. In the end, an extended Kalman filter has been developed to estimate the critical longitudinal flight parameters. Besides, the existing complementarity between this model-based approach and several signal-based methods has permitted to have sensor faults and weight error diagnosis along with unitary sensor validation capabilities. The architecture and its related embedded algorithms finally developed have been done with respect to the strong industrial constraints (particularly in term of computation burden and formalism).
They have been validated using simulation and flight data sets, especially for the isolation of slow drift common mode failures as they represent today the most challenging sensor faults to detect.
L’amélioration des performances d’un avion ainsi que la diminution de la charge de travail des pilotes nécessitent une complexité accrue des systèmes avioniques qui équipent les nouveaux avions. Cette complexification génère de nouvelles contraintes, par exemple celle d’augmenter la disponibilité de certaines informations indispensables au pilotage (principalement la vitesse conventionnelle) et aux fonctionnalités les plus évoluées des systèmes de commande de vol (comme l’incidence, la masse et l’altitude pression). Pour obtenir cette garantie, l’architecture des systèmes embarqués est fondée aujourd’hui sur une forte redondance matérielle (de type triplex pour l’aviation civile).
Néanmoins cette approche a un coût important (poids, maintenance, etc.) et reste perfectible. Par exemple, les modes communs de panne, correspondant à une panne cohérente et simultanée d’au moins deux capteurs mesurant une même variable, ne sont pas détectés par ce dispositif. Une autre façon de procéder, abordée dans cette thèse, consiste à exploiter la redondance analytique existante au travers des mesures disponibles, et des équations de la cinématique et de la mécanique du vol. Par exemple, l’équation de portance permet de faire le lien entre un grand nombre de paramètres de vol. Son utilisation dans le processus de fusion de données nécessite néanmoins de disposer de modèles de substitution (tables d’interpolation recalées sur données de vol, modèle neuronal, etc.) afin d’estimer le coefficient de portance aérodynamique. In fine, un filtre de Kalman étendu adaptatif a été développé pour estimer les paramètres de vol critiques longitudinaux.
Des capacités de diagnostic de pannes capteur et d’erreur de masse au décollage, ainsi que de re-sélection de sources valides ont été implantées en exploitant la complémentarité existante entre cette méthode d’estimation basée modèle et d’autres approches issues du domaine du traitement du signal.
La solution finalement proposée a été développée en respectant des contraintes industrielles importantes, notamment en termes de puissance de calcul disponible et de formalisme. Elle a pu être validée sur un ensemble de simulations et de données d’essais en vol, en particulier pour la détection et l’isolation des modes communs de panne correspondant à des dérives lentes, aujourd’hui indétectables.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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