六旋翼无人机故障安全系统的相关研究

发布时间：2017-03-24 11:10

  本文关键词：六旋翼无人机故障安全系统的相关研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,在全球范围内关于多旋翼无人机的研究十分的盛行,由于其具有体积小质量轻,高机动性可垂直起降等优势,所以在诸多行业中开始被广泛运用。例如自然灾害的情报收集、高架线点检、农药散布、航空摄影等。伴随着无人航空器的广泛运用,对于无人航空器的安全性和容错性也提出新的要求。由于机体驱动部件的老化,传感器的数据错误、故障以及由于飞行中桨叶撞击障碍物而引起的桨叶损伤而导致无人机无法正常飞行的状况时有发生。因此,为了防止多旋翼无人机的坠毁而造成不必要的人员和财产损失,有必要提高无人航空器的容错性能和故障自动检测性能。具备故障检测机能,同时可根据故障类型采取相应对策的系统称为故障安全系统(Fail-Safe System),因此,故障安全系统的导入是十分有必要的。随着对多旋翼无人机研究的深入和日益广泛的运用,多旋翼无人机控制系统的安全性和信赖性变得越来越重要。作为一个复杂的控制系统,多旋翼无人机的控制系统内部搭载了微型控制器(MCU)及各种传感器,例如三轴角加速度传感器(Gyro)、GPS、惯性传感器(IMU)、气压传感器等。同时,由于多旋翼无人机自身的设计特点,其具备多个互相独立的动力系统,因此电机故障及桨叶损毁的可能性高于一般的单动力系统无人机。综上原因,传感器故障及动力系统的故障被认为是发生概率最高的两种故障。本论主要文针对动力系统故障的特征设计了相应的故障检测方法以及在发生故障时如何利用六桨叶无人机有冗余动力的特征进行合理的控制量分配,从而维持机体的正常飞行。首先,利用基于同定模型的故障检测方法设计了基于电机控制输入—动力系统回路电流模型的故障检测方法及基于电机控制输入—电机转速模型的故障检测方法,并在实际机体上模拟了故障,检验了以上两种故障检测方法的有效性。然后,基于非对称桨叶转向排布的情况下,利用广义逆矩阵的方法推算出在各个电机停转情况下的最优化控制分配参数,并且用试验验证了算法的正确性。最后,实现了在GPS自主飞行模式下的故障飞行实验,验证了容错控制器的有效性和实用性。
【关键词】：六旋翼无人机 动力系统故障检测 控制量分配 广义逆矩阵法 容错控制
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-7
• 第一章 绪论7-14
• 1.1 项目研究背景与意义7-8
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势8-13
• 1.3 本文研究内容和组织结构13-14
• 第二章 六旋翼无人机系统构成14-24
• 2.1 平台硬件构成14-15
• 2.2 控制系统硬件设计15-19
• 2.2.1 传感器模块17-18
• 2.2.2 微处理器模块18
• 2.2.3 无线通信模块18-19
• 2.3 六旋翼无人机的飞行原理19-23
• 2.4 本章小结23-24
• 第三章 六旋翼无人机的容错控制24-52
• 3.1 故障检测与容错控制24-28
• 3.1.1 故障与容错性的定义24-25
• 3.1.2 系统行为与故障的关系25-26
• 3.1.3 系统故障对实际模型的影响26-27
• 3.1.4 故障的分类27-28
• 3.2 容错控制的原理28-31
• 3.2.1 容错控制系统的构成28-29
• 3.2.2 故障检测的步骤29-30
• 3.2.3 基于模型一致性的故障检测方法30-31
• 3.3 六旋翼无人机动力系统的故障检测系统设计31-50
• 3.3.1 带有故障检测系统的无人机系统硬件31-33
• 3.3.2 基于电流模型的故障检测系统原理33-35
• 3.3.3 电流模型的同定35-38
• 3.3.4 电流模型法的验证38-43
• 3.3.5 基于电流模型的故障检测系统原理43
• 3.3.6 转速模型的同定43-45
• 3.3.7 转速模型法的验证45-50
• 3.4 本章小结50-52
• 第四章 动力系统故障时的控制再构建52-66
• 4.1 控制分配定义52-53
• 4.2 线性约束下的控制分配53-57
• 4.3 三轴可控性与电机转向的关系57-60
• 4.4 含有故障信息的控制分配60-61
• 4.5 实验分析61-65
• 4.6 本章小结65-66
• 第五章 电机故障时的自主飞行66-77
• 5.1 Roll,Pitch方向模型验证66-68
• 5.2 Yaw方向模型验证68
• 5.3 模型验证68-72
• 5.3.1 高度模型验证68-71
• 5.3.2 速度模型验证71-72
• 5.4 试验验证72-76
• 5.4.1 控制器设计72-73
• 5.4.2 飞行试验73-76
• 5.5 本章小结76-77
• 第六章 总结和展望77-78
• 6.1 总结77
• 6.2 展望77-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-84
• 作者简介84

【引证文献】

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 左宗玉;;四旋翼无人飞行器自适应轨迹跟踪控制[A];中国自动化学会控制理论专业委员会B卷[C];2011年

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本文编号：265526