Sistema y procedimiento para detectar y aislar fallos en la detección de presión de un sistema enrasado de datos anemobarométricos (FADS).

Un sistema para detectar y aislar fallos en los puertos de presión y los transductores de presión de un sistemade detección de presión de un sistema enrasado de datos anemobarométricos (FADS),

que comprende:una pluralidad de puertos de presión enrasados a un morro de un vehículo espacial en la forma de uncrucifijo;

al menos tres transductores de presión conectados a cada puerto de presión a través de una pluralidad detubos neumáticos para medir la presión de la superficie desde dicha pluralidad de puertos de presión;al menos una unidad de fuente de alimentación independiente conectada por separado a cada uno de dichosal menos tres transductores de presión para alimentar dichos al menos tres transductores de presión en cadapuerto de presión; y

una unidad de procesamiento configurada para adquirir entradas de tensión correspondientes a la presiónsuperficial medida desde dichos al menos tres transductores de presión, en el que dicha unidad deprocesamiento ejecuta dos o más niveles de comprobación de fallos para detectar y aislar los fallos detransductor de presión y el bloqueo de dicha pluralidad de puertos de presión en base a las entradas detensión.

Sistema y procedimiento para detectar y aislar fallos en la detección de presión de un sistema enrasado de datos anemobarométricos (FADS)

Campo de la invención La presente invención se refiere a la ingeniería aeronáutica, particularmente en el campo del sistema de detección de presión de un sistema enrasado de datos anemobarométricos (Flush Air Data System, FADS) empleado en los vehículos espaciales. La presente invención se refiere, más específicamente, a un sistema y a un procedimiento para detectar y aislar fallos en los puertos de presión y los transductores de presión del sistema de detección de presión.

Antecedentes de la invención Los sistemas de detección de presión utilizados por los sistemas enrasados de datos anemobarométricos (FADS) de un vehículo espacial, aeronaves de alta velocidad y sondas planetarias consisten, generalmente, en puertos de presión, tubos neumáticos y transductores de presión. Los transductores de presión miden la presión de aire en la superficie desde los puertos de presión y proporcionan los datos de presión introducidos al procesador FADS, el cual, a su vez, genera parámetros de datos anemobarométricos, tales como ángulo de ataque, ángulo de deslizamiento lateral, número de Mach y presión dinámica. Estos parámetros de datos anemobarométricos son cruciales para el sistema de guiado y control del vehículo para el control en tiempo real y el alivio de las cargas debidas a las ráfagas para proteger los sistemas del vehículo del calentamiento aerodinámico, para llevar a cabo la programación de ganancia y para guiar el vehículo a lo largo de la trayectoria deseada. Por lo tanto, es esencial mantener la exactitud de estas mediciones de presión para controlar los vehículos.

Sin embargo, pueden producirse inexactitudes en las mediciones de presión como resultado de fallos en los transductores de presión o debido a un bloqueo de los puertos de presión, causado por la formación de hielo o por partículas extrañas. Los puertos de presión bloqueados y los transductores de presión defectuosos crean una desviación considerable de los parámetros de datos anemobarométricos estimados con relación a sus valores reales, lo que puede conducir, en última instancia, a la pérdida de control y al fallo de la misión del vehículo. La Junta de Investigación de Accidentes que estudió la causa del accidente del avión experimental X-31 de la NASA el 19 de Enero de 1995, ha razonado que una acumulación de hielo en o sobre el sistema pitot-estático, no calentado, de la aeronave proporcionó información falsa de la velocidad de aire a los ordenadores de control de vuelo. Esto condujo a una falsa lectura de los datos de presión total de aire y causó que el sistema de control de vuelo de la aeronave se configurara automáticamente de manera errónea para una velocidad menor. De repente, la aeronave comenzó a oscilar en todos los ejes, su ángulo de ataque se elevó hasta más de 90 grados, perdió el control y se estrelló.

Además, hay diversos informes diferentes de sellados de los puertos de presión de los sistemas de datos anemobarométricos por insectos o debido a la congelación del agua atrapada en los tubos neumáticos durante el vuelo. Estos eventos pueden generar preocupación por la posibilidad de un despegue con indicaciones erróneas de velocidad de aire y la posibilidad de una acción incorrecta por parte de la tripulación, que conduzca a un despegue abortado a alta velocidad o pérdida de conciencia de la situación durante el vuelo. Por lo tanto, siempre es necesario eliminar los puertos de presión bloqueados y/o los transductores defectuosos de los cálculos FADS para mejorar la exactitud y la fiabilidad de la estimación de los parámetros de datos anemobarométricos del FADS en los vehículos espaciales.

Las técnicas convencionales de detección y aislamiento de fallos (FDI) utilizan un algoritmo de inteligencia artificial, tal como redes neuronales, para identificar los puertos de presión bloqueados, que son procedimientos indirectos y complejos que utilizan modelos inversos. En dichos sistemas existentes, hay uno o dos transductores de presión conectados a un puerto de presión, lo que provoca dificultades para aislar los bloqueos de puerto de los fallos de los transductores de presión. Además, la alimentación de los uno o dos transductores se hace usando una única fuente de alimentación, lo que afecta a toda la medición de presión cuando se producen fallos de alimentación.

La patente US 7257470 describe un procedimiento y un aparato de aislamiento de fallos en sistemas de datos anemobarométricos basados en inteligencia artificial, que son específicos de los sistemas de datos anemobarométricos basados en inteligencia artificial. Dicho procedimiento es un procedimiento inverso que requiere un número de redes neuronales igual al número de puertos de presión. El procedimiento depende principalmente de los parámetros de entrada del FADS para la detección de fallos en los puertos de presión y, por lo tanto, requiere un modelo inverso para resolver los fallos de medición de presión. Dichos cálculos de modelo inverso requieren la salida de la estimación de presión en cada puerto de presión en el FADS, lo que resulta en un

proceso computacionalmente caro y complejo.

La patente GB 2432914A describe la detección de fallos en sistemas de datos anemobarométricos basados en inteligencia artificial, que también es específica para los sistemas de datos anemobarométricos basados en inteligencia artificial. Este procedimiento hace uso también de un gran número de redes neuronales para la generación de datos anemobarométricos y la detección de fallos de los sensores de presión. El principal inconveniente de los sistemas de la técnica anterior es que se basan en un modelo inverso para estimar los valores de presión en los puertos de presión, lo que complica la detección y el aislamiento de fallos (FDI) . Además, los sistemas existentes requieren una amplia validación de características estadísticas tales como la varianza de los residuales de presión.

Con respecto a los procedimientos convencionales, se utilizan numerosas redes neuronales para conseguir la generación de datos anemobarométricos y la detección de fallos de los puertos de presión en el sistema de detección de presión de los vehículos espaciales. Sin embargo, estos procedimientos se basan en el modelo inverso para la detección de fallos, lo cual es muy difícil y complejo de procesar en el FADS. Con el fin de superar las deficiencias de la técnica anterior, indicadas anteriormente, se requiere un esquema FDI con una menor carga computacional y más adecuado desde el punto de vista de su implementación a bordo. Por lo tanto, es esencial proporcionar un sistema y un procedimiento mejorados para detectar y aislar fallos en los puertos de presión y en los transductores de presión del sistema de detección de presión.

Objeto de la invención Un objeto de la presente invención es proporcionar un sistema para detectar y aislar fallos en los puertos de presión y los transductores de presión de un sistema de detección de presión, que mejora la exactitud y fiabilidad de la estimación de la presión del FADS.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un sistema para detectar y aislar fallos en los puertos de presión y los transductores de presión de un sistema de detección de presión, que consigue una generación precisa y fiable de datos anemobarométricos necesarios para controlar un vehículo espacial en tiempo real.

Todavía otro objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento para detectar y aislar fallos en los puertos de presión y los transductores de presión de un sistema de detección de presión, que sea directo, sencillo, seguro y preciso.

Sumario de la invención Según un aspecto, la presente invención, que consigue los objetivos, se refiere a un sistema para detectar y aislar fallos en los puertos de presión y los transductores de presión de un sistema de detección de presión que comprende un conjunto de puertos de presión enrasados con el morro de un vehículo espacial en forma crucifijo. Hay tres transductores de presión conectados a cada puerto de presión a través de tubos neumáticos para medir la presión de la superficie desde los puertos de presión. Hay unidades de suministro de energía separadas conectadas a los tres transductores de presión para suministrar energía a los transductores de presión en cada puerto de presión. Una unidad de procesamiento está configurada para adquirir entradas de tensión correspondientes a la presión de la superficie medida desde los transductores de presión. La unidad de procesamiento ejecuta uno o más niveles de... [Seguir leyendo]

1. Un sistema para detectar y aislar fallos en los puertos de presión y los transductores de presión de un sistema de detección de presión de un sistema enrasado de datos anemobarométricos (FADS) , que comprende:

una pluralidad de puertos de presión enrasados a un morro de un vehículo espacial en la forma de un crucifijo;

al menos tres transductores de presión conectados a cada puerto de presión a través de una pluralidad de tubos neumáticos para medir la presión de la superficie desde dicha pluralidad de puertos de presión;

al menos una unidad de fuente de alimentación independiente conectada por separado a cada uno de dichos al menos tres transductores de presión para alimentar dichos al menos tres transductores de presión en cada puerto de presión; y

una unidad de procesamiento configurada para adquirir entradas de tensión correspondientes a la presión superficial medida desde dichos al menos tres transductores de presión, en el que dicha unidad de procesamiento ejecuta dos o más niveles de comprobación de fallos para detectar y aislar los fallos de transductor de presión y el bloqueo de dicha pluralidad de puertos de presión en base a las entradas de tensión.

2. Sistema según la reivindicación 1, en el que dicha unidad de procesamiento está configurada para adquirir las entradas de tensión desde dichos al menos tres transductores de presión a través de un soporte de interfaz.

3. Sistema según la reivindicación 1, en el que dichos al menos tres transductores de presión de cada puerto de presión están alojados en un único paquete.

4. Sistema según la reivindicación 1, en el que dichos dos o más niveles de comprobación de fallos se llevan a cabo secuencialmente como una lógica redundante modular triple (TMR) , validez de rango, comportamiento dinámico y generación de conjuntos estructurados de estimaciones de ángulo de ataque y ángulo de deslizamiento lateral.

5. Un procedimiento para detectar y aislar los fallos en los puertos de presión y los transductores de presión de un sistema de detección de presión, que comprende:

distinguir los fallos de bloqueo de los puertos de presión de los fallos de los transductores de presión por medio de una comparación cruzada de las presiones superficiales medidas en una pluralidad de puertos de presión;

determinar si las presiones de superficie medidas están comprendidas en un rango deseado, de manera aproximada, en un instante específico de la fase de vuelo;

comprobar la presión constante y la tasa sobre las presiones de superficie medidas para identificar un bloqueo completo o parcial en dicha pluralidad de puertos de presión y fallos repentinos en una pluralidad de transductores de presión;

generar uno o más conjuntos estructurados de estimaciones de ángulo de ataque y de ángulo de deslizamiento lateral a partir de combinaciones predefinidas de dicha pluralidad de puertos de presión situados a lo largo de unos meridianos vertical y horizontal de un morro del vehículo; y

detectar y aislar los fallos en dicha pluralidad de puertos de presión y dicha pluralidad de transductores de presión en los meridianos vertical y horizontal en base a dichos uno o más conjuntos estructurados de estimaciones de ángulo de ataque y ángulo de deslizamiento lateral.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que la comprobación de presión constante comprende detectar y aislar el puerto de presión bloqueado y el transductor de presión defectuoso si la diferencia entre las lecturas más alta y más baja de las presiones de superficie para una duración de bloqueo predefinida es menor que un valor umbral deseado.

7. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que la comprobación de la tasa comprende detectar y aislar el puerto de presión bloqueado y el transductor de presión defectuoso si las presiones de superficie medidas son mayores que un valor de umbral deseado durante un tiempo de ciclo de actualización computacional.

8. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que los fallos en dicha pluralidad de puertos de presión y dicha pluralidad de transductores de presión en el meridiano vertical se detectan y se aíslan comprobando la dispersión

10

de un valor atípico desde la mediana de dichos uno o más conjuntos estructurados de estimaciones de ángulo de ataque.

9. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que los fallos en dicha pluralidad de puertos de presión y dicha pluralidad de transductores de presión en el meridiano horizontal se detectan y aíslan comprobando la magnitud absoluta de la mediana de dichos uno o más conjuntos estructurados de estimaciones de ángulo de deslizamiento lateral.

10. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que dicho uno o más conjuntos estructurados de estimaciones de ángulo de ataque y ángulo de deslizamiento lateral están configurados a partir de al menos tres puertos de presión de entre dicha pluralidad de puertos de presión.

11. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que el puerto de presión bloqueado y el transductor de presión defectuoso son aislados de los cálculos por medio de un razonamiento lógico.

12. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que la comprobación de la dispersión de los valores atípicos con relación a la mediana de dichos uno o más conjuntos estructurados de estimaciones de ángulo de ataque, que comprende además:

determinar la mediana de las estimaciones de ángulo de ataque después de disponer las estimaciones de ángulo de ataque en un orden ascendente o descendente;

identificar el valor atípico en dichos uno o más conjuntos estructurados buscando las estimaciones de ángulo de ataque que están más alejadas de la mediana de las estimaciones de ángulo de ataque;

determinar la diferencia entre el valor atípico y la mediana de las estimaciones de ángulo de ataque; y

representar dicha pluralidad de puertos de presión en el valor atípico como puertos defectuosos, si la diferencia entre el valor atípico y la mediana es mayor que un umbral deseado; y

formar un segundo conjunto estructurado de estimaciones de ángulo de ataque usando los restantes puertos de presión y uno de los puertos defectuosos y aislando el puerto de presión en el valor atípico de dicho segundo conjunto estructurado.

13. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que la comprobación de la dispersión de los valores atípicos con relación a la mediana de dichos uno o más conjuntos estructurados de estimaciones de ángulo de deslizamiento lateral, que comprende además:

determinar la mediana de las estimaciones de ángulo de deslizamiento lateral después de disponer las estimaciones de ángulo de deslizamiento lateral en un orden ascendente o descendente;

comprobar si la magnitud absoluta de la mediana determinada de las estimaciones de ángulo de deslizamiento lateral es menor que un umbral deseado; y

aislar el puerto de presión común a dichos uno o más conjuntos estructurados de estimaciones de ángulo de deslizamiento lateral, si la magnitud absoluta de la mediana determinada de las estimaciones de ángulo de deslizamiento lateral es mayor que el umbral deseado.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que dichos uno o más conjuntos estructurados de estimaciones de ángulo de deslizamiento lateral se forman con al menos un puerto de presión en el meridiano horizontal común a dicha pluralidad de puertos de presión y los puertos restantes en el conjunto estructurado tomado del meridiano vertical.