Hex-Rotor无人飞行器执行单元的故障分析与飞行控制

发布时间：2017-08-16 05:02

  本文关键词：Hex-Rotor无人飞行器执行单元的故障分析与飞行控制

  更多相关文章： Hex-Rotor无人飞行器 执行单元 升力因子 卡尔曼滤波算法 故障检测与诊断系统 自重构控制器

【摘要】：近十几年来,无人飞行器凭借其在军事与民用上广阔的应用前景得到了相关工程技术人员越来越多的重视,并取得了大量的研究成果。本文研究一种在平面多旋翼无人飞行器结构上发展而来的H e x-R o t o r无人飞行器,该型飞行器通过六个旋翼在空间结构上带倾角的配置,改善了多旋翼无人飞行器偏航控制力矩弱的缺点,同时增加了飞行器的有效负载重量、滞空时间以及故障冗余能力。本文将围绕Hex-Rotor无人飞行器的数学模型、执行单元故障分析、故障检测与诊断系统以及控制系统中的相关问题进行研究,主要内容包括以下几个方面:对Hex-Rotor无人飞行器的动力学特性进行了研究,分析动力学特性并建立动力学模型是设计飞行控制系统的基础。在对飞行器结构构型充分研究的基础上,通过合理的简化并利用相关动力学知识建立其质心平动与机体绕质心转动的动力学模型。最后给出了Hex-Rotor无人飞行器原型机的硬件架构(运算层、通讯层以及任务层),并阐述了提高原型机软硬件可靠性的基本方法与下一步的研究内容。建立执行单元的升力故障模型。首先对无刷直流电动机的模型进行了研究分析,并设计扩张状态观测器估计电动机的负载阻转矩。接下来阐述了驱动电路板常见的故障类型以及对飞行器系统的危害。然后分析了旋翼反扭力矩模型及升力模型,研究表明升力因子和反扭力矩因子会随外界因素有一定程度的波动,将其常量化的做法在某些条件下会降低控制效果。另外,本文还指出旋翼旋转的动不平衡对升力模型的影响,并通过F I R滤波器在一定程度上消除了升力波动带来的噪声。最后,分析执行单元故障类型(电动机故障、驱动电路板故障与旋翼故障),建立升力故障模型(增益性故障与失效故障)。设计执行单元的故障检测与诊断系统,该系统是主动容错控制方法的基础。本文针对不同的故障类型设计相应的故障检测与诊断系统(由基于最优分类面的故障诊断算法和基于扩展卡尔曼滤波算法的故障观测器组成)。基于最优分类面的故障诊断算法主要针对驱动电路板故障与电动机故障设计,提取自身状态量在线监测电动机与驱动电路板的工作状况;基于扩展卡尔曼滤波器的故障观测器主要针对旋翼故障而设计,实时估计各个执行单元的升力因子。该故障检测与诊断系统能够很好的完成故障分离与故障识别,实时监控飞行器状态,为飞行器的安全飞行提供有力保障。构建Hex-Rotor无人飞行器的控制系统。首先改进了执行单元的软硬件及稳速控制算法,提高了执行单元的可靠性与控制效果。接下来,研究了H e x-R o t o r无人飞行器姿态稳定控制问题,建立了基于反演滑模的姿态控制算法,从理论上证明了控制算法的收敛,并通过故障检测与诊断系统的观测信息修正反演滑模的输入控制矩阵,提高姿态稳定控制器的抗扰能力。然后设计了双闭环嵌套结构的轨迹跟踪控制算法,并利用虚拟目标点的方法降低了偏航角误差对跟踪轨迹的影响。最后研究了H e x-R o t o r飞行器的自重构控制算法,这是主动容错控制方法的核心内容,自重构控制器将通过故障检测与诊断系统提供的故障信息(增益性故障或失效性故障)重构控制器,提高了飞行的安全性。最后,总结了全文所做的工作,提出了今后需要进一步研究的问题。
【关键词】：Hex-Rotor无人飞行器 执行单元 升力因子 卡尔曼滤波算法 故障检测与诊断系统 自重构控制器
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目录10-14
• 第1章 绪论14-28
• 1.1 课题研究背景及意义14-16
• 1.1.1 多旋翼飞行器发展背景14-15
• 1.1.2 课题研究意义15-16
• 1.2 多旋翼无人飞行器的发展历程16-22
• 1.2.1 国外研究现状16-18
• 1.2.2 国内研究现状18-20
• 1.2.3 Hex-Rotor无 人飞行器的结构介绍20-22
• 1.3 飞行控制系统的相关理论22-24
• 1.3.1 故障检测与诊断系统23
• 1.3.2 自重构控制器23-24
• 1.4 论文工作介绍24-28
• 第2章 Hex-Rotor无 人飞行器的动力学模型及原型机设计28-42
• 2.1 前言28
• 2.2 坐标及坐标转换关系28-32
• 2.2.1 参考坐标系定义28-29
• 2.2.2 各个坐标系之间的转换关系29-32
• 2.3 Hex-Rotor无 人飞行器动力学模型的建立32-37
• 2.3.1 飞行器的动力学方程32-34
• 2.3.2 控制关系方程34-36
• 2.3.3 Hex-Rotor无 人飞行器的运动方程组36-37
• 2.4 Hex-Rotor无 人飞行器稳定飞行基本条件37-40
• 2.4.1 飞行器硬件可靠性38-39
• 2.4.2 飞行器软件可靠性39-40
• 2.5 本章小结40-42
• 第3章 Hex-Rotor无 人飞行器执行单元的故障模型42-63
• 3.1 前言42-43
• 3.2 直流电动机的数学模型43-48
• 3.2.1 电动机数学模型的建立43-46
• 3.2.2 基于扩张状态观测器估计负载阻转矩46-48
• 3.3 驱动电路板故障48-52
• 3.3.1 正常运行状态下的直流电动机端电压48-49
• 3.3.2 三相全控电桥断路故障49-50
• 3.3.3 换相故障50-51
• 3.3.4 MOSFET击穿短路故障51-52
• 3.4 旋翼的升力模型52-59
• 3.4.1 旋翼的升力模型52-54
• 3.4.2 动不平衡对升力模型的影响54-59
• 3.5 执行单元的升力故障模型59-61
• 3.5.1 执行单元常见故障59-60
• 3.5.2 升力故障模型的建立60-61
• 3.6 本章小结61-63
• 第4章 Hex-Rotor无 人飞行器执行单元的故障检测与诊断系统63-87
• 4.1 前言63
• 4.2 故障检测与诊断系统的架构63-65
• 4.3 基于最优分类面的故障诊断算法65-69
• 4.3.1 最优分类超平面65-67
• 4.3.2 基于最优分类面的学习机设计67-69
• 4.4 多传感器导航单元设计69-78
• 4.4.1 惯性测量模块70-72
• 4.4.2 传感器数据预处理72-74
• 4.4.3 多传感器数据融合74-78
• 4.5 基于扩展卡尔曼滤波算法的故障观测器78-86
• 4.5.1 简化的飞行器非线性动力学模型79-81
• 4.5.2 扩展卡尔曼滤波算法81-82
• 4.5.3 故障观测器设计82-84
• 4.5.4 仿真验证与分析84-86
• 4.6 本章小结86-87
• 第5章 Hex-Rotor无 人飞行器的控制系统设计87-111
• 5.1 前言87
• 5.2 执行单元软硬件及稳速控制87-91
• 5.2.1 软硬件设计88-89
• 5.2.2 稳速控制89-91
• 5.3 姿态稳定控制算法91-97
• 5.3.1 姿态稳定控制器设计92-95
• 5.3.2 姿态角跟踪实验95-97
• 5.4 轨迹跟踪控制方法97-103
• 5.4.1 轨迹跟踪控制器设计97-100
• 5.4.2 轨迹规划方法100-102
• 5.4.3 轨迹跟踪实验102-103
• 5.5 自重构控制算法103-109
• 5.5.1 自重构控制器的设计104-107
• 5.5.2 容错控制实验107-109
• 5.6 本章小结109-111
• 第6章 总结与展望111-115
• 6.1 本文总结与主要创新111-113
• 6.2 进一步工作与研究展望113-115
• 参考文献115-126
• 在学期间学术成果情况126-128
• 指导教师及作者简介128-130
• 致谢130-13

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