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一套基于 Pixhawk、PX4、树莓派与双向 DShot 的无人机电机故障诊断与故障注入研究平台,支持实时转速遥测、飞行状态记录与私有数据集生成

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构建无人机电机故障研究平台:从实时转速遥测到故障诊断 | DROBOTICS

构建无人机电机故障研究平台

从实时转速遥测到故障诊断 · DROBOTICS 工程开发日志

电机故障诊断 实时转速遥测 PX4 + Pixhawk Raspberry Pi 容错控制
引言

现代无人机故障诊断不仅仅需要记录飞控日志。要理解推进系统故障如何影响飞行器,研究人员需要观察完整的链路:

控制指令 → 电机输出 → 实际转速 → 飞行器动态响应

在 DROBOTICS,我们正在开发一套可复用的无人机电机故障诊断与容错控制研究平台,专为高校实验室、研究团队、教学项目以及从事故障诊断和容错控制的开发者设计。

该平台不仅提供预生成数据集,而是让研究人员能够使用真实无人机生成自己的私有故障数据集。
为什么电机转速重要

许多无人机数据集包含 PWM 指令、姿态、IMU 测量、GPS 或电池信息。

然而,以下两者之间存在重要区别:
• 飞控命令的电机输出
• 电机实际执行的转速

例如,在电机退化实验中,控制器可能持续请求某个输出,而实际电机转速却在下降。

如果获得实际转速,系统可以观察:
通过 命令的电机输出
通过 实际电机转速
通过 姿态扰动
通过 角速率响应
通过 飞控的补偿动作
通过 故障移除后的恢复过程
这使得生成的数据集对电机健康估计、故障分类和容错控制研究更加有用。
当前硬件架构
我们当前的开发平台使用:
• Pixhawk 6C Mini
• PX4 1.17
• Raspberry Pi 4B
• 4-in-1 ESC(Bluejay 固件)
• 双向 DShot
• MAVLink 遥测
• Rpanion Server
• 自定义 C++ 数据采集软件

飞控使用 DShot 与 ESC 通信,而双向 DShot 允许电机转速遥测返回 PX4。Raspberry Pi 随后接收无人机遥测流并使用我们自己的模块化 C++ 软件进行处理。

通过 验证真实电机转速

首批工程里程碑之一是验证能够可靠地获得每个电机的实际转速。

使用双向 DShot,PX4 成功报告了所有四个电机的独立转速值。在台架测试中,系统能够独立区分每个电机并实时报告其变化转速。
RPM | M1=1214 | M2=1142 | M3=1242 | M4=1257 RPM | M1=1757 | M2=1742 | M3=1771 | M4=1785 RPM | M1=2057 | M2=2042 | M3=2057 | M4=2042
当电机停止时,数值返回零。
这确认了完整的信号路径:
Motor → ESC → Bidirectional DShot → PX4 → MAVLink → Raspberry Pi → C++
可复用的 C++ 架构

我们不是为单个实验开发一次性脚本,而是将系统构建为可复用的 DROBOTICS 研究模块。

MAVLink Transport ↓ Telemetry Collector ↓ Telemetry Store ↓ Time Synchronizer ↓ Data Logger ↓ Fault Manager ↓ Dataset Export
同时支持基于串口和 UDP 的 MAVLink 通信。

长期目标是使同一软件框架可复用于不同的 DROBOTICS 无人机平台,这些平台可能具有不同的:

• 飞行控制器
• 电调
• 电机
• 机架
• 机载计算机
• 传感器配置
研究人员应能够通过配置平台来使用,而无需重写整个软件栈。
Raspberry Pi 作为机载研究计算机

Raspberry Pi 作为机载计算机,负责数据采集以及后续的故障管理功能。

由于核心任务主要是遥测采集而非图像处理,轻量级系统已足够。
机载系统可记录的信息包括:
• 电机指令
• PWM/DShot 执行器输出
• 各电机转速
• 横滚、俯仰和偏航
• 姿态四元数
• 角速度
• 加速度
• GPS
• 气压高度
• 电池电压
• 电池电流
• 故障类型
• 故障严重程度
• 选定的电机
• 故障开始和结束时间戳
所有这些信号都可以同步为一个统一的时间序列数据集。
地面站 + 机载记录器同时运行

在开发和实验室测试中,我们还希望在运行机载研究软件时保留正常的 QGroundControl 操作。

┌── QGroundControl │ Pixhawk → RPi → MAVLink Router │ └── DROBOTICS C++ Logger
这允许工程师从 QGroundControl 执行执行器测试,同时通过机载 C++ 记录器观察和记录实时电机转速。
这在故障注入实验中特别有用,因为指令、电机响应和遥测可以同时观察。
计划的故障注入模式

平台正在围绕几种受控的电机故障场景进行开发。

电机效率或推力降低
模拟产生比预期更小有效输出的电机。

电机转速波动
在电机输出中引入受控的振荡或不稳定性。

电机响应延迟
相对于请求指令延迟选定电机的响应。

电机输出限制
限制一个电机的最大允许输出。

螺旋桨不平衡
为振动和推进健康研究引入受控的轻微不平衡。
高风险实验无需故意破坏电机或电调。根据故障类型,可以使用软件注入、参数限制、台架测试或受控低空飞行。
从故障注入到数据集生成

目标不仅仅是制造故障。平台必须记录故障前、故障中和故障后发生的情况。

Normal operation ↓ Fault activated ↓ Motor response changes ↓ Aircraft dynamic response ↓ Flight controller compensation ↓ Fault removed ↓ Recovery
生成的数据可以自动标注以下信息:
• 故障类别
• 受影响的电机
• 故障严重程度
• 激活时间
• 结束时间
• 持续时间
• 实验 ID
这对有监督机器学习和深度学习研究尤为重要。
研究人员能做什么?

大学或研究小组可以将同一无人机平台用于许多不同的研究课题。

示例包括:
• 电机故障检测
• 电机健康估计
• 基于 RPM 的异常检测
• IMU + RPM 传感器融合
• 深度学习故障分类
• 时间序列分类
• 剩余使用寿命研究
• 基于残差的诊断
• 容错飞行控制
• 强化学习控制
• 弹性自主无人机研究
关键优势是研究人员不受固定公共数据集的限制。他们可以修改故障参数、实验条件、算法和飞行剖面,生成自己的实验数据。
私有数据集生成

对许多研究团队来说,拥有自己的数据集非常有价值。私有实验数据集允许研究人员控制:

• 硬件配置
• 故障严重程度
• 传感器选择
• 采样率
• 环境条件
• 训练/测试方法
因此,DROBOTICS 将该系统视为不仅仅是一个"数据集产品",而是一个数据集生成研究平台。

客户或大学可以生成并保留自己的研究数据,而不是完全依赖其他组织提供的数据。

与自主无人机研究的联系

虽然该平台专注于推进系统故障,但许多工程内容与更广泛的自主机器人研究重叠。

诸如以下概念:
• 状态估计
• 传感器同步
• 时间戳
• 残差分析
• 系统可观测性
• 多传感器融合
• 控制响应
• 实时 C++ 处理
这些也是 SLAM、视觉惯性里程计、LiDAR 惯性里程计和自主导航的基础。
对 DROBOTICS 而言,该平台因此成为迈向更具弹性的自主无人机系统这一更广泛方向的一部分。

未来的自主飞行器不仅应知道:"我在哪里?"
还应能理解:"我的飞行器健康吗?"
并最终能够回答:"故障发生后我还能继续安全运行吗?"
开发状态

该平台目前正在积极进行工程开发。

已完成的里程碑包括:
通过 PX4 飞行控制平台
通过 DShot 电机控制
通过 双向电机转速遥测
通过 四电机转速验证
通过 Raspberry Pi MAVLink 通信
通过 串口和 UDP 遥测传输
通过 QGroundControl 集成
通过 自定义 C++ MAVLink 解析
通过 DROBOTICS 软件框架中的实时转速采集
当前开发重点:
• 同步飞行状态采集
• 电机指令记录
• 姿态和 IMU 采集
• GPS 和电源系统记录
• 时间同步
• 数据集存储
• 可配置故障注入
• 实验标注
• 数据质量验证
迈向完整的无人机故障研究平台

长期目标是为研究人员提供完整的实验环境,而不是黑盒无人机。

平台旨在足够开放,使研究人员能够开发自己的:
• 故障诊断算法
• 健康估计算法
• 容错控制器
• 强化学习系统
• 自主研究应用
DROBOTICS 将继续记录开发过程,随着平台从遥测采集向受控故障注入和真实飞行实验数据集迈进。
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SEO 描述DROBOTICS 正在开发基于 Pixhawk、PX4、Raspberry Pi、双向 DShot、实时电机转速遥测和 C++ 数据采集的无人机电机故障诊断与故障注入研究平台,用于高校研究和容错控制实验。
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简短摘要DROBOTICS 正在开发一套可复用的无人机故障研究平台,结合实时电机转速遥测、飞行状态记录、受控故障注入和私有数据集生成,用于故障诊断、健康估计和容错控制研究。

平台:Pixhawk 6C Mini · PX4 1.17 · Raspberry Pi 4B · 双向 DShot · C++
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