六旋翼飞行器动力系统容错控制方法研究
发布时间：2021-07-12 05:37
无人机为人们的生产生活带来了很多便利,但是无人机坠毁也对人们的人身安全和财产安全带来了巨大的损失。为了减少无人机的坠毁事故,本文对六旋翼飞行器动力系统的容错控制方法进行了研究。研究的主要内容包括:1)基于牛顿第二定律和欧拉动力学方程,建立了六旋翼飞行器完整的动力学模型,并将非线性的动力学模型用一种线性变参数的方法表示。最后,分析了动力系统的故障模式并建立了相应的故障模型。2)在线性表示的六旋翼飞行器动力学模型的基础上,设计了基于滑模控制方法的飞行控制器。该飞行控制器可以实现对飞行器高度和姿态角的控制,并对飞行器系统的不确定性、旋翼未建模的动态具有鲁棒性。在飞行控制器的设计过程中,用极点配置的方法对滑模面进行设计,根据线性表示的飞行器动力学模型和趋近律设计了滑模控制率,同时还对控制率的稳定性进行了分析。为了验证飞行控制器的有效性,在Simulink环境下进行了仿真验证。3)在设计的飞行控制器的基础上,设计了基于控制分配的容错控制算法。该算法可以在飞行器动力系统故障的情况下,对六旋翼系统的控制分配问题建立优化模型以实现对飞行控制器产生的控制信号合理分配。另外,在文中还提出了一种计算资源节约...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１美国军用无人机??
信息或??者售棒的控制算法对无人机的故障部位进行补偿，以保证无人机安全降落或者继续稳定??飞行。将容错控制技术应用到无人机控制系统中可以大大提高无人机系统的安全性和稳??定性，减少无人机因为系统故障造成的对环境或者人类的二次伤害。从学术角度考虑，不??具备容错控制能力的无人机控制算法在无人机控制框架里是不完整的，所以针对无人机??系统的容错控制研究也是对飞行器控制框架的补充和完善。因此，针对无人机系统的容错??控制研究对实际的生产生活和飞行器控制算法研究都具有极其重要的意义。??如图１．２所示，按照无人机系统构造、外形、驱动方法等的不同，可以将无人机系统??分为固定翼无人机和旋翼无人机［＿１５１。对于固定翼无人机，机翼的设计根据了伯努力定律，??通过机翼上下不等速的气流为飞行器提供升力，飞行器的横滚运动通过飞行器的副翼实??现，无人机的俯仰角和偏航角的改变则是通过对尾翼的操作来实现。由于固定翼无人机驱??动方式和结构的特硃性，固定翼飞行器不仅可以飞行较远的距离，而且可以提供较大的??载重量，这也是民航部门选择固定翼飞行器载人的原因。在旋翼无人机系统中，动力系统??（电机和螺旋桨组合）是最重要的组成部分。在旋翼无人机系统中，旋翼的转动产生气流，??气流与空气相对作用产生的向上的力作用在旋翼无人机机体上，推动旋翼飞行器向上飞??行，通过飞行器不同旋翼转速的配合改变飞行器的位姿。相比较来说，旋翼无人机比固定??翼无人机具有更多优势，如体积孝方便垂直起降、成本低、控制方便等。因此，旋翼无??人机在人类生产生活的各个方面都得到了大量的应用。??⑷固定翼无人机?（ｂ）旋翼无人机??图１．２不同种类的无人机??３??
浙江大学硕士学位沦文?２．六旋翼飞行器系统模型??〇?〇??ｏｒ?Ｓ〇?ｏｒ?Ｓ？??６?ｏ??■正转■反转?■正转■反转??（ａ）?ＰＮＰＮＰＮ型配置?（ｂ）?ＰＰＮＮＰＮ型配置??图２．１两种“米”型结构的六旋翼飞行器动力系统配置图??提供输入动力，但是在他们机械结构上的容错能力是不同的。在一个电机彻底失效的情况??下，虽然ＰＮＰＮＰＮ型配置的飞行器系统有冗余的旋翼，但是该结构的飞行器仍然是不可??控的。然而，ＰＰＮＮＰＮ型配置的六旋翼飞行器在一个旋翼甚至两个旋翼因为故障完全失效??的情况下，飞行器系统依然是可控的［３９］。本文的容错控制算法是利用执行机构的冗余性，??将控制器产生的控制作用分配给没有故障的旋翼以实现对动力系统的容错控制，保证飞??行器的稳定飞行，因此在本文中，选用如图２．１ｂ所示的ＰＰＮＮＰＮ型配置的六旋翼飞行器。??在介绍六旋翼飞行器的状态量之前，需要对飞行器系统中常用的坐标系进行介绍。六??旋翼飞行器的位置是在地面坐标系下定义的，而飞行器的姿态是由机体坐标和地面坐标??系的旋转关系决定的，因此本文对地面坐标系和机体坐标系进行介绍。他们的定义如下所??示：??１．地面坐标系ＯｅＸｅＦｅＺｅ??地面坐标系选用北－东－地（Ｎｏｒｔｈ－Ｅａｓｔ－Ｄｏｗｎ，?ＮＥＤ）坐标系。地面坐标系的轴、??轴和轴满足右手定则，并且分别指向地理的北方向，东方向和垂直于地??面向下。地面坐标系的原点为六旋翼飞行器起飞时飞行器的质心。在地面坐标系下??可以很方便地对六旋翼飞行器的空间位置进行表示［＃４１１。??２．机体坐标系??机体坐标系是为了方便表示和描述六旋翼飞行器在飞行过程中的飞行姿态而建立??
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种倾转四旋翼无人机及其过渡段姿态控制[J]. 沈杨杨,杨忠,张翔,李劲松. 兵工自动化. 2018(03)
[2]基于无人机分类和安全性的空域融合研究[J]. 田宏安,刘函林. 科技与创新. 2017(14)
[3]基于模糊路面识别的多轮独立电驱动车辆驱动防滑控制[J]. 廖自力,刘栋,阳贵兵,陈路明. 装甲兵工程学院学报. 2017(03)
[4]基于ARM处理器的四旋翼无人机自主控制系统研究[J]. 张垚,鲜斌,殷强,刘洋,王福. 中国科学技术大学学报. 2012(09)
博士论文
[1]多旋翼无人飞行器高机动飞行控制研究[D]. 付春阳.吉林大学 2018
[2]卫星姿态控制系统的混合故障诊断方法研究[D]. 程瑶.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]基于混杂控制系统的八旋翼飞行器设计[D]. 范继伟.东北电力大学 2018
[2]四旋翼飞行器控制系统的设计与实现[D]. 高京都.大连理工大学 2015
本文编号：3279320
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１美国军用无人机??
信息或??者售棒的控制算法对无人机的故障部位进行补偿，以保证无人机安全降落或者继续稳定??飞行。将容错控制技术应用到无人机控制系统中可以大大提高无人机系统的安全性和稳??定性，减少无人机因为系统故障造成的对环境或者人类的二次伤害。从学术角度考虑，不??具备容错控制能力的无人机控制算法在无人机控制框架里是不完整的，所以针对无人机??系统的容错控制研究也是对飞行器控制框架的补充和完善。因此，针对无人机系统的容错??控制研究对实际的生产生活和飞行器控制算法研究都具有极其重要的意义。??如图１．２所示，按照无人机系统构造、外形、驱动方法等的不同，可以将无人机系统??分为固定翼无人机和旋翼无人机［＿１５１。对于固定翼无人机，机翼的设计根据了伯努力定律，??通过机翼上下不等速的气流为飞行器提供升力，飞行器的横滚运动通过飞行器的副翼实??现，无人机的俯仰角和偏航角的改变则是通过对尾翼的操作来实现。由于固定翼无人机驱??动方式和结构的特硃性，固定翼飞行器不仅可以飞行较远的距离，而且可以提供较大的??载重量，这也是民航部门选择固定翼飞行器载人的原因。在旋翼无人机系统中，动力系统??（电机和螺旋桨组合）是最重要的组成部分。在旋翼无人机系统中，旋翼的转动产生气流，??气流与空气相对作用产生的向上的力作用在旋翼无人机机体上，推动旋翼飞行器向上飞??行，通过飞行器不同旋翼转速的配合改变飞行器的位姿。相比较来说，旋翼无人机比固定??翼无人机具有更多优势，如体积孝方便垂直起降、成本低、控制方便等。因此，旋翼无??人机在人类生产生活的各个方面都得到了大量的应用。??⑷固定翼无人机?（ｂ）旋翼无人机??图１．２不同种类的无人机??３??
浙江大学硕士学位沦文?２．六旋翼飞行器系统模型??〇?〇??ｏｒ?Ｓ〇?ｏｒ?Ｓ？??６?ｏ??■正转■反转?■正转■反转??（ａ）?ＰＮＰＮＰＮ型配置?（ｂ）?ＰＰＮＮＰＮ型配置??图２．１两种“米”型结构的六旋翼飞行器动力系统配置图??提供输入动力，但是在他们机械结构上的容错能力是不同的。在一个电机彻底失效的情况??下，虽然ＰＮＰＮＰＮ型配置的飞行器系统有冗余的旋翼，但是该结构的飞行器仍然是不可??控的。然而，ＰＰＮＮＰＮ型配置的六旋翼飞行器在一个旋翼甚至两个旋翼因为故障完全失效??的情况下，飞行器系统依然是可控的［３９］。本文的容错控制算法是利用执行机构的冗余性，??将控制器产生的控制作用分配给没有故障的旋翼以实现对动力系统的容错控制，保证飞??行器的稳定飞行，因此在本文中，选用如图２．１ｂ所示的ＰＰＮＮＰＮ型配置的六旋翼飞行器。??在介绍六旋翼飞行器的状态量之前，需要对飞行器系统中常用的坐标系进行介绍。六??旋翼飞行器的位置是在地面坐标系下定义的，而飞行器的姿态是由机体坐标和地面坐标??系的旋转关系决定的，因此本文对地面坐标系和机体坐标系进行介绍。他们的定义如下所??示：??１．地面坐标系ＯｅＸｅＦｅＺｅ??地面坐标系选用北－东－地（Ｎｏｒｔｈ－Ｅａｓｔ－Ｄｏｗｎ，?ＮＥＤ）坐标系。地面坐标系的轴、??轴和轴满足右手定则，并且分别指向地理的北方向，东方向和垂直于地??面向下。地面坐标系的原点为六旋翼飞行器起飞时飞行器的质心。在地面坐标系下??可以很方便地对六旋翼飞行器的空间位置进行表示［＃４１１。??２．机体坐标系??机体坐标系是为了方便表示和描述六旋翼飞行器在飞行过程中的飞行姿态而建立??
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种倾转四旋翼无人机及其过渡段姿态控制[J]. 沈杨杨,杨忠,张翔,李劲松. 兵工自动化. 2018(03)
[2]基于无人机分类和安全性的空域融合研究[J]. 田宏安,刘函林. 科技与创新. 2017(14)
[3]基于模糊路面识别的多轮独立电驱动车辆驱动防滑控制[J]. 廖自力,刘栋,阳贵兵,陈路明. 装甲兵工程学院学报. 2017(03)
[4]基于ARM处理器的四旋翼无人机自主控制系统研究[J]. 张垚,鲜斌,殷强,刘洋,王福. 中国科学技术大学学报. 2012(09)
博士论文
[1]多旋翼无人飞行器高机动飞行控制研究[D]. 付春阳.吉林大学 2018
[2]卫星姿态控制系统的混合故障诊断方法研究[D]. 程瑶.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]基于混杂控制系统的八旋翼飞行器设计[D]. 范继伟.东北电力大学 2018
[2]四旋翼飞行器控制系统的设计与实现[D]. 高京都.大连理工大学 2015
本文编号：3279320
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