本文關(guān)鍵詞：Hex-Rotor無人飛行器執(zhí)行單元的故障分析與飛行控制

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【摘要】：近十幾年來,無人飛行器憑借其在軍事與民用上廣闊的應(yīng)用前景得到了相關(guān)工程技術(shù)人員越來越多的重視,并取得了大量的研究成果。本文研究一種在平面多旋翼無人飛行器結(jié)構(gòu)上發(fā)展而來的H e x-R o t o r無人飛行器,該型飛行器通過六個旋翼在空間結(jié)構(gòu)上帶傾角的配置,改善了多旋翼無人飛行器偏航控制力矩弱的缺點,同時增加了飛行器的有效負載重量、滯空時間以及故障冗余能力。本文將圍繞Hex-Rotor無人飛行器的數(shù)學(xué)模型、執(zhí)行單元故障分析、故障檢測與診斷系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)中的相關(guān)問題進行研究,主要內(nèi)容包括以下幾個方面:對Hex-Rotor無人飛行器的動力學(xué)特性進行了研究,分析動力學(xué)特性并建立動力學(xué)模型是設(shè)計飛行控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在對飛行器結(jié)構(gòu)構(gòu)型充分研究的基礎(chǔ)上,通過合理的簡化并利用相關(guān)動力學(xué)知識建立其質(zhì)心平動與機體繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的動力學(xué)模型。最后給出了Hex-Rotor無人飛行器原型機的硬件架構(gòu)(運算層、通訊層以及任務(wù)層),并闡述了提高原型機軟硬件可靠性的基本方法與下一步的研究內(nèi)容。建立執(zhí)行單元的升力故障模型。首先對無刷直流電動機的模型進行了研究分析,并設(shè)計擴張狀態(tài)觀測器估計電動機的負載阻轉(zhuǎn)矩。接下來闡述了驅(qū)動電路板常見的故障類型以及對飛行器系統(tǒng)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會隨外界因素有一定程度的波動,將其常量化的做法在某些條件下會降低控制效果。另外,本文還指出旋翼旋轉(zhuǎn)的動不平衡對升力模型的影響,并通過F I R濾波器在一定程度上消除了升力波動帶來的噪聲。最后,分析執(zhí)行單元故障類型(電動機故障、驅(qū)動電路板故障與旋翼故障),建立升力故障模型(增益性故障與失效故障)。設(shè)計執(zhí)行單元的故障檢測與診斷系統(tǒng),該系統(tǒng)是主動容錯控制方法的基礎(chǔ)。本文針對不同的故障類型設(shè)計相應(yīng)的故障檢測與診斷系統(tǒng)(由基于最優(yōu)分類面的故障診斷算法和基于擴展卡爾曼濾波算法的故障觀測器組成)�；谧顑�(yōu)分類面的故障診斷算法主要針對驅(qū)動電路板故障與電動機故障設(shè)計,提取自身狀態(tài)量在線監(jiān)測電動機與驅(qū)動電路板的工作狀況;基于擴展卡爾曼濾波器的故障觀測器主要針對旋翼故障而設(shè)計,實時估計各個執(zhí)行單元的升力因子。該故障檢測與診斷系統(tǒng)能夠很好的完成故障分離與故障識別,實時監(jiān)控飛行器狀態(tài),為飛行器的安全飛行提供有力保障。構(gòu)建Hex-Rotor無人飛行器的控制系統(tǒng)。首先改進了執(zhí)行單元的軟硬件及穩(wěn)速控制算法,提高了執(zhí)行單元的可靠性與控制效果。接下來,研究了H e x-R o t o r無人飛行器姿態(tài)穩(wěn)定控制問題,建立了基于反演滑模的姿態(tài)控制算法,從理論上證明了控制算法的收斂,并通過故障檢測與診斷系統(tǒng)的觀測信息修正反演滑模的輸入控制矩陣,提高姿態(tài)穩(wěn)定控制器的抗擾能力。然后設(shè)計了雙閉環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)的軌跡跟蹤控制算法,并利用虛擬目標(biāo)點的方法降低了偏航角誤差對跟蹤軌跡的影響。最后研究了H e x-R o t o r飛行器的自重構(gòu)控制算法,這是主動容錯控制方法的核心內(nèi)容,自重構(gòu)控制器將通過故障檢測與診斷系統(tǒng)提供的故障信息(增益性故障或失效性故障)重構(gòu)控制器,提高了飛行的安全性。最后,總結(jié)了全文所做的工作,提出了今后需要進一步研究的問題。
【關(guān)鍵詞】：Hex-Rotor無人飛行器 執(zhí)行單元 升力因子 卡爾曼濾波算法 故障檢測與診斷系統(tǒng) 自重構(gòu)控制器
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V249.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目錄10-14
• 第1章 緒論14-28
• 1.1 課題研究背景及意義14-16
• 1.1.1 多旋翼飛行器發(fā)展背景14-15
• 1.1.2 課題研究意義15-16
• 1.2 多旋翼無人飛行器的發(fā)展歷程16-22
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀16-18
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀18-20
• 1.2.3 Hex-Rotor無 人飛行器的結(jié)構(gòu)介紹20-22
• 1.3 飛行控制系統(tǒng)的相關(guān)理論22-24
• 1.3.1 故障檢測與診斷系統(tǒng)23
• 1.3.2 自重構(gòu)控制器23-24
• 1.4 論文工作介紹24-28
• 第2章 Hex-Rotor無 人飛行器的動力學(xué)模型及原型機設(shè)計28-42
• 2.1 前言28
• 2.2 坐標(biāo)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系28-32
• 2.2.1 參考坐標(biāo)系定義28-29
• 2.2.2 各個坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系29-32
• 2.3 Hex-Rotor無 人飛行器動力學(xué)模型的建立32-37
• 2.3.1 飛行器的動力學(xué)方程32-34
• 2.3.2 控制關(guān)系方程34-36
• 2.3.3 Hex-Rotor無 人飛行器的運動方程組36-37
• 2.4 Hex-Rotor無 人飛行器穩(wěn)定飛行基本條件37-40
• 2.4.1 飛行器硬件可靠性38-39
• 2.4.2 飛行器軟件可靠性39-40
• 2.5 本章小結(jié)40-42
• 第3章 Hex-Rotor無 人飛行器執(zhí)行單元的故障模型42-63
• 3.1 前言42-43
• 3.2 直流電動機的數(shù)學(xué)模型43-48
• 3.2.1 電動機數(shù)學(xué)模型的建立43-46
• 3.2.2 基于擴張狀態(tài)觀測器估計負載阻轉(zhuǎn)矩46-48
• 3.3 驅(qū)動電路板故障48-52
• 3.3.1 正常運行狀態(tài)下的直流電動機端電壓48-49
• 3.3.2 三相全控電橋斷路故障49-50
• 3.3.3 換相故障50-51
• 3.3.4 MOSFET擊穿短路故障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 動不平衡對升力模型的影響54-59
• 3.5 執(zhí)行單元的升力故障模型59-61
• 3.5.1 執(zhí)行單元常見故障59-60
• 3.5.2 升力故障模型的建立60-61
• 3.6 本章小結(jié)61-63
• 第4章 Hex-Rotor無 人飛行器執(zhí)行單元的故障檢測與診斷系統(tǒng)63-87
• 4.1 前言63
• 4.2 故障檢測與診斷系統(tǒng)的架構(gòu)63-65
• 4.3 基于最優(yōu)分類面的故障診斷算法65-69
• 4.3.1 最優(yōu)分類超平面65-67
• 4.3.2 基于最優(yōu)分類面的學(xué)習(xí)機設(shè)計67-69
• 4.4 多傳感器導(dǎo)航單元設(shè)計69-78
• 4.4.1 慣性測量模塊70-72
• 4.4.2 傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理72-74
• 4.4.3 多傳感器數(shù)據(jù)融合74-78
• 4.5 基于擴展卡爾曼濾波算法的故障觀測器78-86
• 4.5.1 簡化的飛行器非線性動力學(xué)模型79-81
• 4.5.2 擴展卡爾曼濾波算法81-82
• 4.5.3 故障觀測器設(shè)計82-84
• 4.5.4 仿真驗證與分析84-86
• 4.6 本章小結(jié)86-87
• 第5章 Hex-Rotor無 人飛行器的控制系統(tǒng)設(shè)計87-111
• 5.1 前言87
• 5.2 執(zhí)行單元軟硬件及穩(wěn)速控制87-91
• 5.2.1 軟硬件設(shè)計88-89
• 5.2.2 穩(wěn)速控制89-91
• 5.3 姿態(tài)穩(wěn)定控制算法91-97
• 5.3.1 姿態(tài)穩(wěn)定控制器設(shè)計92-95
• 5.3.2 姿態(tài)角跟蹤實驗95-97
• 5.4 軌跡跟蹤控制方法97-103
• 5.4.1 軌跡跟蹤控制器設(shè)計97-100
• 5.4.2 軌跡規(guī)劃方法100-102
• 5.4.3 軌跡跟蹤實驗102-103
• 5.5 自重構(gòu)控制算法103-109
• 5.5.1 自重構(gòu)控制器的設(shè)計104-107
• 5.5.2 容錯控制實驗107-109
• 5.6 本章小結(jié)109-111
• 第6章 總結(jié)與展望111-115
• 6.1 本文總結(jié)與主要創(chuàng)新111-113
• 6.2 進一步工作與研究展望113-115
• 參考文獻115-126
• 在學(xué)期間學(xué)術(shù)成果情況126-128
• 指導(dǎo)教師及作者簡介128-130
• 致謝130-13

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本文編號：681513