一种双通道耦合飞行控制程序的故障检测系统的制作方法

1.本发明属于飞行控制软件测试技术领域，具体涉及一种双通道耦合飞行控制程序的故障检测系统。


背景技术：

2.为了实现复杂的机动飞行，制导控制软件功能日益复杂，基于系统工作原理进行故障模式分析和软件测试是保障软件质量的重要技术手段。
3.目前飞行在纵向通道或者侧向通道进行单一的机动变轨策略较为常见，例如纵向跃起或者下降、侧向扇面转弯或者“s”形机动等。对此，飞行控制解算时相应的主要解决各自通道的轨迹切换时序和姿态稳定控制，软件测试时相应的主要针对各个通道进行功能和边界测试等即可，期望结果是理论的数学仿真模型，实测结果和期望结果若一致，则判定被测程序正确，若结果不一致，则判定被测程序错误。
4.纵向和侧向双通道耦合控制的机动策略应用较少，在此参照某机动飞行区间的纵向和侧向通道理论轨迹分别如图1、图2所示，飞行初始状态为平飞，到达导航点a开始纵向爬升，到达导航点b开始侧向转弯，而后到达导航点c纵向转为平飞、侧向转弯结束并返回直飞状态。从点b到点c是纵向和侧向同时进行机动变轨飞行的区间，纵向先爬升再转平飞，侧向连续两次转弯，相当于在跃起过程中进行扇面转弯机动，是一种比较复杂的机动飞行状态，需要纵向俯仰和侧向滚动两个通道同时启动控制时序并协调切换控制律，容易产生逻辑交联和耦合关系，造成控制效果不稳定或者达不到期望值。
5.因此，如何在测试中关注控制状态切换点及其时序组合的影响因素，从分析算法及其干扰因素入手发现程序中潜在的逻辑风险，是本领域积累较少又需要着重解决的技术难点。


技术实现要素：

6.鉴于上述的分析，本发明旨在公开了一种双通道耦合飞行控制程序的故障检测系统，发现飞行控制程序的缺陷。
7.本发明公开了一种双通道耦合飞行控制程序的故障检测系统，包括：
8.飞控测试用例模块，用于建立多个飞控测试用例，每个飞控测试用例对应一个期望的飞控执行结果，所述飞控测试用例中包括增加风干扰因素的测试用例；
9.飞行控制模块包括纵向飞行控制通道和侧向飞行控制通道，用于分别运行纵向通道控制律和侧向通道控制律输出飞控执行结果，在飞行的机动区间内纵向飞行控制通道和侧向飞行控制通道的控制律相耦合；
10.飞控测试用例插入模块，用于选择飞控测试用例模块中的飞控测试用例插入飞行控制模块，使飞行控制模块执行所述飞控测试用例输出飞控执行结果；
11.控制结果比对模块，用于比对飞行控制模块实际输出的飞控执行结果与期望的飞控执行结果，判断在执行飞控测试用例时是否出现故障，进而根据故障现象定位飞行控制
程序的设计缺陷。
12.进一步地，所述纵向通道控制律
13.所述侧向通道控制律
14.其中，δ
z
为纵向通道控制信号，为实际俯仰角，为俯仰角指令，为俯仰角变化率，δ
p
为平衡舵偏，k
d
、k
p
、k
γ
为纵向通道控制系数；δ
x
为侧向通道控制信号，γ为实际滚转角，γ
r
为滚转角指令，为滚转角变化率，δz为侧向位置偏差，侧向位移变化率，k'
d
、k'
p
、k
z
、k
δz
为侧向通道控制系数。
15.进一步地，所述纵向飞行控制通道的控制流程包括：
16.1)纵向机动开始；
17.2)解算纵向弹道状态；
18.3)判断是否到达转平飞条件；是，则进入步骤4)；否，则解算纵向爬升控制信号后，返回步骤2)；
19.4)置纵向平飞标志有效，侧向直线飞行标志有效；
20.5)解算纵向平飞控制信号；
21.6)纵向机动结束。
22.进一步地，所述侧向飞行控制通道的控制流程包括：
23.1)侧向机动开始；
24.2)解算侧向弹道；
25.3)判断直线飞行标志是否有效；是，则进入步骤4)；否则计算转弯段滚动控制信号后，返回步骤2)；
26.4)解算直线飞行滚动控制信号；
27.5)侧向机动结束。
28.进一步地，所述飞控测试用例包括功能测试类型、边界测试类型和安全性测试类型；
29.所述功能测试类型，用于对飞行控制程序的功能进行逻辑覆盖验证，包括执行正常功能的测试用例和增加风干扰的测试用例；
30.所述边界测试类型，用于对飞行控制程序的机动结束的设计点的双通道状态匹配情况进行验证；
31.安全性测试类型，用于对飞行控制程序的安全性能进行验证。
32.进一步地，所述增加风干扰的测试用例中包括风干扰的类型和在风干扰作用下飞行控制模块的期望输出。
33.进一步地，所述飞控测试用例插入模块先将正常功能的测试用例插入飞行控制模块，对飞行控制模块的控制功能进行逻辑覆盖测试；
34.逻辑覆盖测试通过后，所述飞控测试用例插入模块再将增加风干扰的测试用例插入飞行控制模块，飞行控制模块执行所述测试用例输出飞控执行结果；
35.控制结果比对模块比对飞行控制模块输出的飞控执行结果与被插入的飞控测试用例对应的期望飞控执行结果，判断在执行飞控测试用例时是否出现故障，进而根据故障
现象定位飞行控制程序的设计缺陷。
36.进一步地，所述飞控测试用例插入模块插入的边界测试用例，以纵向机动的正常结束点为插入时机，插入边界测试用例中包括侧向的逆风或者顺风干扰。
37.进一步地，飞控测试用例插入模块将飞控测试用例插入飞行控制模块的插桩标志位包括：
38.f1为纵向机动状态的标志位；当f1＝0时，纵向风干扰为0；与之对应的正确飞控状态为：纵向机动按照设计点完成并转平飞；当f1＝-1时，纵向增加垂直逆风；与之对应的正确飞控状态为：由于逆风的影响，纵向机动应比设计点延迟完成；当f1＝1时，纵向增加垂直顺风；与之对应的正确飞控状态为：由于顺风的影响，纵向机动应比设计点提前完成；
39.f2为侧向机动状态的标志位，当f2＝0时，侧向风干扰为0；与之对应的正确飞控状态为：侧向机动按照设计点完成并转直飞；当f2＝-1时，侧向增加逆风；与之对应的正确飞控状态为：由于逆风的影响，侧向机动应比设计点延迟完成；当f2＝1时，侧向增加顺风；与之对应的正确飞控状态为：由于顺风的影响，侧向机动应比设计点提前完成；
40.f3为机动结束设计点的纵向控制的标志位；当f3＝0时，纵向转平飞控制；当f3＝-1时，纵向爬升控制；当f3＝1时，纵向降高控制；
41.f4为机动结束设计点的侧向控制的标志位；当f4＝0时，侧向机动转直飞控制；当f4＝-1时，侧向转弯控制；当f4＝1时，侧向反向转弯控制。
42.进一步地，风干扰的范围为0m/s～40m/s。
43.本发明至少可实现以下有益效果之一：
44.本发明基于系统工作原理和流程分析进行建模分析和测试场景设计，关注对异常处理的容错和避错设计，有利于检查系统和软件的可靠性和充分性。
45.在测试方法研究中，测试用例设计结合真实有效的数据模拟进行，对数据的形式和注入方式、故障模式的覆盖充分考虑，可以有效避免漏测，发现软件缺陷。
附图说明
46.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
47.图1为纵向通道理论轨迹示意图；
48.图2为侧向通道理论轨迹示意图；
49.图3为本发明实施例的故障检测系统组成连接原理示意图；
50.图4为本发明实施例的纵向飞行控制通道的控制流程示意图；
51.图5为本发明实施例的侧向飞行控制通道的控制流程示意图；
52.图6为本发明实施例的侧向偏移示意图；
53.图7为本发明实施例的纵向高度示意图。
具体实施方式
54.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
55.本实施例公开了一种双通道耦合飞行控制程序的故障检测系统，如图3所示，包
括：
56.飞控测试用例模块，建立多个飞控测试用例，每个飞控测试用例对应一个期望的飞控执行结果，所述飞控测试用例中还包括增加风干扰因素的测试用例；
57.飞行控制模块包括纵向飞行控制通道和侧向飞行控制通道，用于分别运行纵向通道控制律和侧向通道控制律输出飞控执行结果，在飞行的机动区间内纵向飞行控制通道和侧向飞行控制通道的控制律相耦合；
58.飞控测试用例插入模块，用于选择飞控测试用例模块中的飞控测试用例插入飞行控制模块，使飞行控制模块执行所述飞控测试用例输出飞控执行结果；
59.控制结果比对模块，用于比对飞行控制模块实际输出的飞控执行结果与期望的飞控执行结果，判断在执行飞控测试用例时是否出现故障，进而根据故障现象定位飞行控制程序的设计缺陷。
60.具体的，飞行控制模块的纵向通道控制律和侧向通道控制律如下：
61.所述纵向通道控制律
62.所述侧向通道控制律
63.其中，δ
z
为纵向通道控制信号，为实际俯仰角，为俯仰角指令，为俯仰角变化率，δ
p
为平衡舵偏，k
d
、k
p
、k
γ
为纵向通道控制系数；δ
x
为侧向通道控制信号，γ为实际滚转角，γ
r
为滚转角指令，为滚转角变化率，δz为侧向位置偏差，侧向位移变化率，k'
d
、k'
p
、k
z
、k
δz
为侧向通道控制系数。
64.如图4所示，所述纵向飞行控制通道的控制流程包括：
65.1)纵向机动开始；
66.2)解算纵向弹道状态；
67.3)判断是否到达转平飞条件；是，则进入步骤4)；否，则解算纵向爬升控制信号后，返回步骤2)；
68.4)置纵向平飞标志有效，侧向直线飞行标志有效；
69.5)解算纵向平飞控制信号；
70.6)纵向机动结束。
71.如图5所示，所述侧向飞行控制通道的控制流程包括：
72.1)侧向机动开始；
73.2)解算侧向弹道；
74.3)判断直线飞行标志是否有效；是，则进入步骤4)；否则计算转弯段滚动控制信号后，返回步骤2)；
75.4)解算直线飞行滚动控制信号；
76.5)侧向机动结束。
77.在上述纵向飞行控制通道和侧向飞行控制通道控制流程中，纵向通道控制律主要采用俯仰角和高度(爬升)控制，同时受到滚转角的修正作用；
78.侧向通道控制规律主要采用滚动角和侧向位置控制。机动结束的判断策略是：纵向通道完成期望的纵向机动后，启动转平飞控制时序并同时按照理论设计切换侧向通道转
为直线控制律。
79.在纵向通道和侧向通道的控制流程中产生了逻辑交联关系，造成控制效果具有较大的耦合性。
80.具体的，在飞控测试用例模块中包括多个飞控测试用例，每个飞控测试用例对应一个期望的飞控执行结果，所述飞控测试用例中还包括增加风干扰因素的测试用例；
81.实际中，多种干扰因素会导致飞行偏离理论轨迹，影响状态切换和飞行时序的准确实现，其中风干扰是最为常见的重要影响因素，由于阵风等实际干扰因素的影响，当纵向通道中爬升转平飞条件满足时，侧向通道的实际状态有可能是转弯结束的“直线飞行状态”，也可能还处于“转弯过程中(回复直飞状态前)”。
82.为提高双通道耦合控制的复杂机动飞行的逻辑覆盖率，构建有实用意义的故障模式和相应的检测方法。通过建立风干扰模型，在关键状态切换点充分考虑可能的逻辑分支和流程时序，提取可能的故障模式，设计相应的测试用例，进行故障注入，全面覆盖路径分支，避免遗漏可能的错误状态，将算法分析与软件测试方法相结合，从系统设计和程序实现两方面保障软件质量。
83.具体的，飞控测试用例包括以下类型：
84.类型一：功能测试类型
85.所述功能测试类型的测试用例，对飞行控制程序的功能进行逻辑覆盖测试，包括执行正常功能的测试用例和增加风干扰的测试用例。
86.所述执行正常功能的测试用例，不增加干扰项，用于测试飞行控制程序的正常控制功能。
87.所述增加风干扰的测试用例，包括要在飞行控制程序中插桩增加风干扰的类型，和根据插桩增加风干扰类型推理出的正确飞控状态；
88.具体的，测试用例中在纵向和侧向分别增加垂直风干扰和侧风干扰；风干扰的范围为0m/s～40m/s)；
89.更具体的，在测试用例中通过可插桩在飞行控制模块中运行控制程序的插桩标志位来标识风干扰的类型以及飞控状态；所述插桩标志位是由飞控测试用例插入模块插入到飞行控制模块的飞行控制程序中的。
90.具体的标志包括：纵向机动状态的标志位f1、侧向机动状态的标志位f2、机动结束设计点的纵向控制的标志位f3和机动结束设计点的侧向控制的标志位f4；所述设计点为无干扰情况下的状态点。
91.其中纵向机动状态的标志位f1，包括三种状态：
92.f1＝0：纵向风干扰为0；与之对应的正确飞控状态为：纵向机动按照设计点完成并转平飞)；
93.f1＝-1：纵向增加垂直逆风30m/s；与之对应的正确飞控状态为：由于逆风的影响，纵向机动应比设计点延迟完成；
94.f1＝1：纵向增加垂直顺风30m/s；与之对应的正确飞控状态为：由于顺风的影响，纵向机动应比设计点提前完成。
95.侧向机动状态的标志位f2，包括三种状态：
96.f2＝0：侧向风干扰为0；与之对应的正确飞控状态为：侧向机动按照设计点完成并
转直飞；
97.f2＝-1：侧向增加逆风30m/s；与之对应的正确飞控状态为：由于逆风的影响，侧向机动应比设计点延迟完成；
98.f2＝1：侧向增加顺风30m/s；与之对应的正确飞控状态为：由于顺风的影响，侧向机动应比设计点提前完成。
99.机动结束设计点的纵向控制的标志位f3，包括三种状态：
100.f3＝0：纵向转平飞控制；
101.f3＝-1：纵向爬升控制；
102.f3＝1：纵向降高控制；
103.机动结束设计点的侧向控制的标志位f4，包括三种状态：
104.f4＝0：侧向机动转直飞控制；
105.f4＝-1：侧向转弯控制；
106.f4＝1：侧向反向转弯控制；
107.具体的，飞控测试用例模块将通过f1和f2标识的、不同的测试输入条件进行组合，并给出通过f3和f4标识的期望测试输出结果，得到一系列的逻辑覆盖测试用例
108.表1逻辑覆盖测试用例设计
[0109][0110]
类型二：边界测试类型
[0111]
边界测试类型的测试用例重点对机动结束的设计点的双通道状态匹配情况进行验证。
[0112]
具体的边界测试用例以纵向机动的正常结束点，即纵向机动不受风干扰影响暗示到达，f1＝0；在该结束点上，在增加侧向的逆风干扰f2＝-1或者顺风干扰f2＝1设计如表2边界测试用例：
[0113]
表2机动区间右端点的边界测试用例设计
[0114][0115]
类型三：安全性测试类型
[0116]
复用边界测试类型中的两种异常输入用例，在边界上的侧向增加逆风30m/s(侧向延迟到达)和侧向增加顺风30m/s(侧向提前到达)，形成安全性测试类型的测试用例。检验故障情况下的容错设计，在故障变为失效前予以识别并处理，用于对飞行控制程序的安全性能进行验证。从测试结果看出，程序中此处缺少容错设计。
[0117]
所述飞控测试用例插入模块在所述飞行控制模块在执行控制流程的解算纵向弹道状态步骤，以及侧向通道的控制流程的解算侧向弹道步骤时插入飞控测试用例。
[0118]
具体的，飞控测试用例插入模块先将正常功能的测试用例插入飞行控制模块，即f1、f2均为0的测试用例，对飞行控制模块的控制功能进行逻辑覆盖测试；
[0119]
逻辑覆盖测试通过后，所述飞控测试用例插入模块再将增加风干扰的测试用例插入飞行控制模块，飞行控制模块执行所述测试用例输出飞控执行结果；
[0120]
控制结果比对模块比对飞行控制模块输出的飞控执行结果与被插入的飞控测试用例对应的期望飞控执行结果，判断在执行飞控测试用例时是否出现故障，进而根据故障现象定位飞行控制程序的设计缺陷。
[0121]
具体的，控制结果比对模块通过比对飞行控制模块输出飞控执行结果中的标志位f3、f4与飞控测试用例期望的标志位f3、f4；如果比对结果相同，则测试通过；如果不同，则测试未通过；
[0122]
分析飞行控制模块的控制策略和流程，根据f3、f4的状态确定测试未通过的原因。
[0123]
具体的，本实施例的功能测试结果如表3所示：
[0124]
表3逻辑覆盖测试用例执行结果
[0125][0126]
在边界测试中，所述飞控测试用例插入模块插入的边界测试用例，以纵向机动的正常结束点为插入时机，插入包括侧向的逆风或者顺风干扰边界测试用例。
[0127]
具体的测试用例和执行结果如表4所示
[0128]
表4机动区间右端点的边界测试用例执行结果
[0129][0130][0131]
通过执行结果可知当纵向与侧向的机动状态一致时，实际测试结果与期望结果是一致的；当纵向与侧向的机动状态不一致时，实际测试结果与期望结果是不一致的，测试未通过。
[0132]
具体测试实例分析：用例序号2；如果由于干扰影响，纵向通道中爬升转平飞条件满足时f3＝0，侧向通道的实际状态是“出弯过程中”f4＝-1，而此时控制量却转为按照直线控制状态进行小幅度纠偏控制f4＝0。由于并没有完成期望的侧向转弯过程，此时的侧向速度偏差、位置偏差较大，很快使舵面达到限幅值，飞行因控制能力不足开始滚动，滚转角经
反馈控制后稳定在某个较大值，侧向位置偏差极易超出安控边界。如图6所示。
[0133]
同时当侧向滚动角突然变为较大值时，依据纵向信号计算公式修正程序俯仰角，使俯仰控制信号突然增加，飞行开始抬头爬升，在纵向平面处于一个稳定的爬升过程，偏离理论设计弹道，直到安控边界，如图7所示。
[0134]
用例序号3；如果由于干扰影响，纵向通道中爬升转平飞条件满足时f3＝0，侧向通道的实际状态是“转弯结束越过原航向直线飞行点”f4＝1，而此时控制量却转为按照直线控制状态进行小幅度纠偏控制f4＝0。对侧向和纵向弹道的影响与上一故障例类似。
[0135]
在本实施例中，通过分析，得到测试未通过的原因是纵向通道切换控制模式的同时也触发侧向通道控制模式的切换，而外界干扰的不确定性会导致实际上的两通道控制切换点的不一致，控制律没有根据实际飞行状态切换到所需的控制流程，也说明算法设计中没有考虑对关键切换点异常的容错设计，需要对控制算法进行重新设计，以解决该缺陷。
[0136]
综上所述，本实施例的故障模式分析和检测方法，基于系统工作原理和流程分析进行建模分析和测试场景设计，包括正常的和非正常的，关注对异常处理的容错和避错设计，有利于检查系统和软件的可靠性和充分性。在测试方法研究中，测试用例设计结合真实有效的数据模拟进行，对数据的形式和注入方式、故障模式的覆盖充分考虑，可以有效避免漏测，发现软件缺陷。
[0137]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。