执行器故障下四旋翼无人机容错控制研究

发布时间：2020-08-23 09:02

【摘要】：四旋翼无人机凭借能够垂直起降、自主悬停和控制灵活等优点,获得军事和民用领域的广泛关注。然而由于其工作环境复杂多变,四旋翼无人机在运行过程中很容易发生故障,严重影响飞行品质,甚至导致系统崩溃,因此对四旋翼无人机的容错控制问题的研究具有很重要的现实意义。本文主要针对执行器故障下四旋翼无人机的容错控制展开了深入研究。首先,简单总结了容错控制在四旋翼无人机上的应用,阐述了四旋翼无人机的结构组成和飞行原理,分析了执行器故障类型及模型,并建立了四旋翼无人机六自由度动力学模型。其次,针对执行器乘性故障设计容错控制器。建立了执行器乘性故障下四旋翼无人机模型,针对此类故障,同时避免在初始误差较大的情况下出现积分饱和现象,引入分数阶因子,设计自适应分数阶滑模控制器(Adaptive Fractional Order Sliding Mode Controller,AFOSMC)。通过自适应律实时估计执行器故障对系统的影响,进而调整控制器参数,从而使系统在执行器故障下依然能稳定飞行。再次,针对执行器加性故障设计容错控制器。建立执行器加性故障下四旋翼无人机故障模型,针对执行器加性故障设计了基于干扰观测器的自适应控制器设计。将执行器故障、建模误差、外界干扰等一并作为执行器故障,通过有限时间干扰观测器得到故障估计值,进而完成自适应控制器参数调整,保证执行器加性故障下四旋翼无人机的跟踪性能。最后,将两种容错算法在Quanser UAV实验平台进行实验验证。分别设计AFOSMC和基于观测器的自适应控制器,进行定点悬停实验,在悬停过程中分别为电机施加乘性故障与加性故障,验证算法的实用性。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279;V249.1
【图文】：

旋翼,无人机

；六旋翼、八旋翼结构解决执行器故障问题等。然而由于旋翼数量增加制难度、制作与维护成本大大增加。此外由于小型旋翼无人机机体空间增加额外的传感器，因此小型旋翼无人机容错控制系统的研究得到了更注。FTCS 需要具备自动调节其功能失效的能力，在功能失效的情况下能总体稳定性，因此也称自我修复、再配置、重构或自我设计控制系统。TCS 就能实现元件故障情况下无人机飞行器的稳定飞行，无需额外增加制造成本和维护成本，因此对四旋翼无人机的容错控制研究具有非常重义。四旋翼无人机国内外研究现状微型多旋翼飞行器研究始于美国军方无人机的项目，项目有两个研究方价分布式协同搜寻控制技术和微型多旋翼飞行器。美国斯坦福大学的研研制了名为 Mesicopter 的微型多旋翼飞行器，如图 1-3 所示。该飞行器体约等同一枚硬币，由微电机驱动直径为 3mm 的微旋翼完成飞行。

无人机

燕山大学工程硕士学位论文商，该公司于 2010 年推出的 MD4-1000 四旋翼无人机是目前全球范围内最大型的旋翼无人机，在飞行时间、航程等方面具有极大的优势，取得巨大成功。如图 1所示，当发现溺水人员，MD4-1000 无人机在水面上空快速飞向溺水者(在这个环节上，无人机比在水里游泳的救生员快得多)，当飞至溺水者上空时，无人机向下投掷一个紧急救生漂浮装备。溺水者会在本能驱使下抓住该漂浮设备，为水上救援争取宝贵时间。

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【参考文献】