LoadFault 模块文档¶

所属工具箱：RflySim PHM

LoadFault 模块外观

简介¶

一句话描述：该模块用于实现无人机三类常见负载故障的建模，计算故障引发的无人机总质量、惯性矩以及力矩参数变化，为无人机故障诊断与预测健康管理（PHM）仿真提供故障模型输入。

该模块是RflySim PHM接口库中专门面向无人机负载故障仿真的核心模块，支持负载掉落、负载漂移、负载泄露三类典型负载故障的配置与计算，可根据外部注入的故障指令自动提取对应故障参数，完成故障状态下无人机刚体动力学参数的更新计算。

该模块一般配合RflySim工具链中的CopterSim刚体六自由度仿真模块使用，可将计算得到的故障动力学参数输出给动力学模型，实现带负载故障的无人机飞行仿真，也可结合RflySim3D完成故障状态下的三维可视化展示，同时可对接PX4飞控实现硬件在环的故障仿真测试，是开展无人机负载故障诊断、容错控制算法验证的基础模块。

端口说明¶

输入端口（Inputs）¶

端口名	数据类型	维度	说明
`6DOF Bus1`	`Bus`	-	封装了简易环境模型和刚体六自由度模型的输出信号[待确认]
`ModelParam.uavMass`	`double`	`1×1`	无人机的总质量
`ModelParam.uavR`	`double`	`1×1`	无人机的特定参考半径/距离，用于计算移动质量的偏移量
`FaultIn`	`Bus`	-	故障输入，包含故障类型和对应故障参数

输出端口（Outputs）¶

端口名	数据类型	维度	说明
`Fail Model Bus1`	`Bus`	-	封装了故障计算后的`uavMass`、`uavJ`、`deltaM`、`uavR`输出信号

参数配置（Parameters）¶

双击模块打开的 Mask 对话框中可配置以下参数：

参数名	类型	默认值	可选值/范围	说明
`uavMass`	`double`	`1.0`	`(0, +∞)`	无人机初始总质量
`uavR`	`double`	`0.1`	`(0, +∞)`	无人机参考半径/距离，用于计算移动质量偏移
`isLoadFall`	`bool`	`false`	`true/false`	标记是否发生负载掉落故障
`LoadFallParams`	`double array`	`[0]`	-	负载掉落故障的参数数组
`isLoadShift`	`bool`	`false`	`true/false`	标记是否发生负载漂移故障
`LoadShiftParams`	`double array`	`[0, 0, 0, 0]`	-	负载漂移故障的参数数组
`isLoadLeak`	`bool`	`false`	`true/false`	标记是否发生负载泄露故障
`LoadLeakParams`	`double array`	`[0, 0]`	-	负载泄露故障的参数数组
`dcm`	`double`	`eye(3)`	3×3正交矩阵	方向余弦矩阵，用于将载荷移动产生的力转换到无人机机体坐标系
`uavlostJ`	`double matrix`	`zeros(3,3)`	3×3矩阵	无人机因负载故障损失的惯性矩矩阵

参数设置说明¶

`isLoadFall`/`isLoadShift`/`isLoadLeak`¶

三个布尔型参数分别用于手动使能对应类型的负载故障，若使用外部FaultIn端口注入故障，可将对应参数设置为false，由外部故障注入信号控制故障触发。

故障参数说明¶

LoadFallParams：负载掉落故障仅需要1个参数，为掉落负载占总质量的比例（范围0~1）
LoadShiftParams：负载漂移故障需要4个参数，依次为漂移负载质量占总质量的比例、x轴漂移因子、y轴漂移因子、z轴漂移因子
LoadLeakParams：负载泄露故障需要2个参数，依次为最大泄露质量占总质量的比例、泄露速率因子

模块特性（Block Characteristics）¶

特性项	值
支持的数据类型	`double`、`single`、`boolean`
直接馈通（Direct Feedthrough）	是
采样时间	继承
代码生成支持	否

数据通信协议¶

本模块不涉及网络通信。

注意事项与常见问题¶

初始化顺序：该模块需要依赖六自由度模型输出的6DOF Bus总线信号，必须确保六自由度模型模块先于LoadFault模块完成初始化，否则会出现总线信号解析错误，无法正确计算故障后的质量和惯性矩变化。
故障ID匹配：输入的故障注入信号必须与模块预设的故障ID严格匹配，123452对应负载掉落故障、123456对应负载漂移故障、123457对应负载泄露故障，ID不匹配时模块无法识别注入故障，会保持无故障或上一时刻的故障状态。
参数维度要求：不同故障对应的参数数组维度必须符合要求：负载掉落故障参数为1维（重量变化比例），负载漂移故障参数为4维（重量变化比例+xyz三个方向漂移因子），负载泄露故障为2维（初始重量泄露比+泄露速率因子），维度错误会导致仿真计算出错。
采样时间匹配：模块输出的故障参数会保持上一时刻的状态直到新的故障注入，模块采样时间需要与六自由度飞控仿真的采样时间保持一致，否则会出现故障状态更新不及时或更新错误的问题。
惯性矩矩阵格式：输入的损失惯性矩uavlostJ必须为3×3的矩阵，输出的力矩变化deltaM需要保证为3×1向量，格式错误会导致Simulink信号维度不匹配报错。
多故障同时触发：模块支持同时开启多种负载故障（同时置位isLoadFall、isLoadShift、isLoadLeak），此时模块会叠加计算不同故障对质量和惯性矩的影响，若仅需触发单故障，需要将其余故障的使能布尔值置为false。

更新日志¶

v4.1.0 (2024-07-24): 初始发布LoadFault模块，支持LoadFall、LoadShift、LoadLeak三类负载故障的故障参数提取与故障影响计算功能

模块名	说明
`FaultParamsExtract`	用于提取输入故障信息中的故障类型与对应故障参数
`PropellerFault`	旋翼故障注入与故障模型计算模块，属于RflySim PHM接口库
`BatteryFault`	电池故障注入与故障模型计算模块，属于RflySim PHM接口库
`IMUFault`	IMU传感器故障注入与故障模型计算模块，属于RflySim PHM接口库