四旋翼无人机抗干扰与容错控制研究
发布时间：2021-04-18 17:09
四旋翼无人机作为当今人工智能领域极具代表性的产物,其日渐成熟的飞行控制技术,使得它在现实生活中被广泛地应用。然而它在执行目标飞行任务时很容易被外界干扰以及无人机自身突发故障所影响,导致无人机飞行姿态不稳定。因此研究具有抗干扰与容错功能的四旋翼无人机控制系统,对提高无人机飞行控制的安全性和可靠性,具有重大的意义。本文主要从四旋翼无人机的抗干扰控制技术以及故障容错控制技术这两方面开展如下工作:（1）分别构建四旋翼无人机的运动学模型与动力学模型,依据无人机常见的干扰形式与故障形式,构建了存在外界干扰和执行器失效故障两种情况下的四旋翼无人机模型,进而构建了存在外界干扰与执行器故障同时发生情况下的四旋翼无人机模型。依据现代控制理论,分别建立以上三种情况下四旋翼无人机系统的状态空间模型。（2）当四旋翼无人机模型中存在未知外界干扰时,本章提出了一种基于区间观测器的抗干扰控制方法。根据正系统的稳定性判据直接设计了基于线性矩阵不等式的区间观测器,引入自由度参数,估计出外界干扰值,然后设计含有干扰补偿功能的控制器,有效地抑制干扰项,从而达到无人机稳定飞行,实现四旋翼无人机的抗干扰控制。（3）当四旋翼无人机...
【文章来源】：南京信息工程大学江苏省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
四旋翼无人机机型图
制系统研究花费了大量人力与物力。在军队里，边防战士可以利用四旋翼无人机替代自己在危险系数较高的边境线进行巡防。生活中，它可以被应用于植被保护，农田农药喷洒，商业娱乐演出等方面。除此之外，四旋翼无人机优越的安全可靠性，强大的飞行稳定性，在搭载了摄影机后可以达到360度无死角拍摄，获取高清视频，实时直播。凭借这些优点还可以帮助国家电网实现对偏远地区的电力巡检，这大大降低了人工巡检的成本和失误率，大大降低了人工巡检电网发生意外伤害的几率，凭此四旋翼无人机在电力巡检有着得天独厚的优势[5]。如图1.3所示，在偏远地区四旋翼无人机进行电力巡检任务。图1.2四旋翼无人机机型图图1.3四旋翼无人机户外电力巡检图如今无人机凭借自身的优势被广泛应用于各个领域，为了满足多样化的任务需求，其机体结构也变得越来越复杂。万物都有两面性，无人机在各个领域大显身手的同时，由于结构的复杂化会引起各式各样的故障，影响其期望飞行的目标，更有严重的会造成巨大的财产损失。根据统计，自1999年至2019年，美国“捕食者”号无人机在执行任务飞行期间总共发生65起事故，造成近450万美元的经济损失；2020年2月印度空军在印度西部地区进行无人机性能测试，但因为技术故障问题丢失了3架无人机。其中两架坠毁消失，仅有1架无人机被找回，搜寻工作仍在进行中。文献[6]介绍了近几年无人机飞行过程常见的故障类型，因电机故障失去控制的事件数量占了很大的比例。因此，增强无人机的抗干扰控制和容错控制，提升无人机飞控的安全性与可靠性尤为重要。四旋翼无人机是一种小型无人机,它具有灵活度高、自主悬停、对起降场地几乎没有要求、维护简单、成本低等优点，广泛应用于很多领域。但它常常在执行任务飞行过程
南京信息工程大学硕士学位论文10第二章四旋翼无人机模型建立及预备知识本章详细分析了四旋翼无人机的主体结构，给出了清晰的原理构造图，介绍了四旋翼无人机的升降运动、俯仰运动、滚转运动以及偏航运动的飞行原理。与固定翼无人机相比，四旋翼无人机对升降的场地要求较低，能够灵活地执行各种特殊任务。但当四旋翼无人机处于复杂的外部环境时，容易受到外部未知因素的干扰以及执行器突发故障的影响，无人机的稳定性受到严重威胁，从而导致无法挽回的经济损失。除此之外，本章还介绍了四旋翼飞行器的运动学模型以及状态空间模型，详细解析了电机转速与输出升力两者之间的的关系，分别构建了存在外界干扰、执行器发生故障以及两者情况同时发生时的四旋翼无人机模型。依据现代控制理论，分别构建了上述三种情况下四旋翼无人机系统的状态空间模型。最后对本文将要使用的线性矩阵不等式（LMI）方法以及部分证明引理做了介绍。此外，避免重复论述，对如下符号进行定义。上标“T”代表矩阵的转置，mnP=代表P为mn阶的实数域矩阵，“”代表矩阵的左伪逆，“1”代表标量的倒数与矩阵的逆矩阵，“”代表对称矩阵的对称位置。2.1无人机结构及飞行原理2.1.1无人机机体结构与固定翼无人机不同的是，四旋翼无人机主要通过调节四个电机的旋转速度来改变输出升力和扭矩，进而达到期望的飞行姿态与位置，完成指定的飞行动作。生活中多见的四旋翼无人机机体结构共有“十型”、“X型”两种布局[42]，本文采用的是X型无人机，结构图具体详见图2.1。图2.1四旋翼结构图2.1.2无人机飞行原理四旋翼飞行器系统是比较复杂的非线性欠驱动系统，有着较强的轴间耦合，本文为
【参考文献】：
期刊论文
[1]固定翼垂直起降无人机过渡机动优化控制分配研究[J]. 刘真畅,唐胜景,李梦婷,王肖,郭杰. 兵工学报. 2019(02)
[2]基于状态观测器的多无人机编队跟踪控制[J]. 窦立谦,杨闯,王丹丹,陈涛,秦新立. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2019(01)
[3]无人机自主性评价方法新进展[J]. 刘树光,茹乐,王柯. 飞航导弹. 2019(02)
[4]一类非线性系统的故障重构与容错控制[J]. 王旭,沈艳霞,吴定会. 测控技术. 2018(10)
[5]基于自适应动态面及控制分配的敏捷导弹自动驾驶仪设计[J]. 任高峰,胥彪,张金鹏. 航空兵器. 2017(04)
[6]匹配条件不满足时线性系统未知输入观测器设计[J]. 张建成,朱芳来. 控制理论与应用. 2017(04)
[7]Observer-based backstepping longitudinal control for carrier-based UAV with actuator faults[J]. Fengying Zheng,Ziyang Zhen,Huajun Gong. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2017(02)
[8]基于区间矩阵的四旋翼无人机鲁棒跟踪控制[J]. 孙妙平,刘静静,年晓红,王海波. 控制理论与应用. 2017(02)
[9]姿态融合滤波的无人机抗干扰控制算法[J]. 陆兴华. 传感器与微系统. 2016(07)
[10]四旋翼无人机飞行姿态的自适应反演滑模控制[J]. 徐亚鹏,苏成利,孙小平. 应用科学学报. 2016(03)
博士论文
[1]面向四旋翼无人机的非线性控制方法与实现[D]. 李辰.浙江大学 2017
[2]船舶动力定位容错控制方法研究[D]. 宁继鹏.哈尔滨工程大学 2013
[3]故障诊断与容错控制方法研究[D]. 王德军.吉林大学 2004
硕士论文
[1]自适应故障诊断及容错控制及其在无人机飞控中的应用[D]. 杨鹏飞.扬州大学 2018
[2]基于观测器的无人机群故障诊断与容错控制方法研究[D]. 施俊鹏.南京航空航天大学 2018
[3]基于机器视觉的无人机电力巡线技术研究[D]. 李高磊.安徽理工大学 2016
[4]基于自适应技术的不确定系统容错控制研究[D]. 宋筱祺.南京航空航天大学 2016
[5]无人机容错控制技术与方法研究[D]. 高闪.南京航空航天大学 2015
[6]六旋翼无人机控制系统设计与实现[D]. 王世勇.南京航空航天大学 2015
[7]卫星姿态系统的容错控制方法研究[D]. 杨婧.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3145853
【文章来源】：南京信息工程大学江苏省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
四旋翼无人机机型图
制系统研究花费了大量人力与物力。在军队里，边防战士可以利用四旋翼无人机替代自己在危险系数较高的边境线进行巡防。生活中，它可以被应用于植被保护，农田农药喷洒，商业娱乐演出等方面。除此之外，四旋翼无人机优越的安全可靠性，强大的飞行稳定性，在搭载了摄影机后可以达到360度无死角拍摄，获取高清视频，实时直播。凭借这些优点还可以帮助国家电网实现对偏远地区的电力巡检，这大大降低了人工巡检的成本和失误率，大大降低了人工巡检电网发生意外伤害的几率，凭此四旋翼无人机在电力巡检有着得天独厚的优势[5]。如图1.3所示，在偏远地区四旋翼无人机进行电力巡检任务。图1.2四旋翼无人机机型图图1.3四旋翼无人机户外电力巡检图如今无人机凭借自身的优势被广泛应用于各个领域，为了满足多样化的任务需求，其机体结构也变得越来越复杂。万物都有两面性，无人机在各个领域大显身手的同时，由于结构的复杂化会引起各式各样的故障，影响其期望飞行的目标，更有严重的会造成巨大的财产损失。根据统计，自1999年至2019年，美国“捕食者”号无人机在执行任务飞行期间总共发生65起事故，造成近450万美元的经济损失；2020年2月印度空军在印度西部地区进行无人机性能测试，但因为技术故障问题丢失了3架无人机。其中两架坠毁消失，仅有1架无人机被找回，搜寻工作仍在进行中。文献[6]介绍了近几年无人机飞行过程常见的故障类型，因电机故障失去控制的事件数量占了很大的比例。因此，增强无人机的抗干扰控制和容错控制，提升无人机飞控的安全性与可靠性尤为重要。四旋翼无人机是一种小型无人机,它具有灵活度高、自主悬停、对起降场地几乎没有要求、维护简单、成本低等优点，广泛应用于很多领域。但它常常在执行任务飞行过程
南京信息工程大学硕士学位论文10第二章四旋翼无人机模型建立及预备知识本章详细分析了四旋翼无人机的主体结构，给出了清晰的原理构造图，介绍了四旋翼无人机的升降运动、俯仰运动、滚转运动以及偏航运动的飞行原理。与固定翼无人机相比，四旋翼无人机对升降的场地要求较低，能够灵活地执行各种特殊任务。但当四旋翼无人机处于复杂的外部环境时，容易受到外部未知因素的干扰以及执行器突发故障的影响，无人机的稳定性受到严重威胁，从而导致无法挽回的经济损失。除此之外，本章还介绍了四旋翼飞行器的运动学模型以及状态空间模型，详细解析了电机转速与输出升力两者之间的的关系，分别构建了存在外界干扰、执行器发生故障以及两者情况同时发生时的四旋翼无人机模型。依据现代控制理论，分别构建了上述三种情况下四旋翼无人机系统的状态空间模型。最后对本文将要使用的线性矩阵不等式（LMI）方法以及部分证明引理做了介绍。此外，避免重复论述，对如下符号进行定义。上标“T”代表矩阵的转置，mnP=代表P为mn阶的实数域矩阵，“”代表矩阵的左伪逆，“1”代表标量的倒数与矩阵的逆矩阵，“”代表对称矩阵的对称位置。2.1无人机结构及飞行原理2.1.1无人机机体结构与固定翼无人机不同的是，四旋翼无人机主要通过调节四个电机的旋转速度来改变输出升力和扭矩，进而达到期望的飞行姿态与位置，完成指定的飞行动作。生活中多见的四旋翼无人机机体结构共有“十型”、“X型”两种布局[42]，本文采用的是X型无人机，结构图具体详见图2.1。图2.1四旋翼结构图2.1.2无人机飞行原理四旋翼飞行器系统是比较复杂的非线性欠驱动系统，有着较强的轴间耦合，本文为
【参考文献】：
期刊论文
[1]固定翼垂直起降无人机过渡机动优化控制分配研究[J]. 刘真畅,唐胜景,李梦婷,王肖,郭杰. 兵工学报. 2019(02)
[2]基于状态观测器的多无人机编队跟踪控制[J]. 窦立谦,杨闯,王丹丹,陈涛,秦新立. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2019(01)
[3]无人机自主性评价方法新进展[J]. 刘树光,茹乐,王柯. 飞航导弹. 2019(02)
[4]一类非线性系统的故障重构与容错控制[J]. 王旭,沈艳霞,吴定会. 测控技术. 2018(10)
[5]基于自适应动态面及控制分配的敏捷导弹自动驾驶仪设计[J]. 任高峰,胥彪,张金鹏. 航空兵器. 2017(04)
[6]匹配条件不满足时线性系统未知输入观测器设计[J]. 张建成,朱芳来. 控制理论与应用. 2017(04)
[7]Observer-based backstepping longitudinal control for carrier-based UAV with actuator faults[J]. Fengying Zheng,Ziyang Zhen,Huajun Gong. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2017(02)
[8]基于区间矩阵的四旋翼无人机鲁棒跟踪控制[J]. 孙妙平,刘静静,年晓红,王海波. 控制理论与应用. 2017(02)
[9]姿态融合滤波的无人机抗干扰控制算法[J]. 陆兴华. 传感器与微系统. 2016(07)
[10]四旋翼无人机飞行姿态的自适应反演滑模控制[J]. 徐亚鹏,苏成利,孙小平. 应用科学学报. 2016(03)
博士论文
[1]面向四旋翼无人机的非线性控制方法与实现[D]. 李辰.浙江大学 2017
[2]船舶动力定位容错控制方法研究[D]. 宁继鹏.哈尔滨工程大学 2013
[3]故障诊断与容错控制方法研究[D]. 王德军.吉林大学 2004
硕士论文
[1]自适应故障诊断及容错控制及其在无人机飞控中的应用[D]. 杨鹏飞.扬州大学 2018
[2]基于观测器的无人机群故障诊断与容错控制方法研究[D]. 施俊鹏.南京航空航天大学 2018
[3]基于机器视觉的无人机电力巡线技术研究[D]. 李高磊.安徽理工大学 2016
[4]基于自适应技术的不确定系统容错控制研究[D]. 宋筱祺.南京航空航天大学 2016
[5]无人机容错控制技术与方法研究[D]. 高闪.南京航空航天大学 2015
[6]六旋翼无人机控制系统设计与实现[D]. 王世勇.南京航空航天大学 2015
[7]卫星姿态系统的容错控制方法研究[D]. 杨婧.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3145853
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