无人机的故障诊断与容错控制研究

发布时间：2017-05-26 12:16

  本文关键词：无人机的故障诊断与容错控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：当前,无人机正处于一个高速发展的阶段,在军事领域和民用领域都有巨大的需求。无人机一般包括机械部分、电子控制部分和地面站部分,较为复杂;其工作环境的气象条件也复杂多变。因此无人机的故障概率较高,并且在出现故障时一般比较致命。考虑到无人机较为贵重,其任务负载与获取的数据一般也具有较高价值,在其故障时如何迅速发现故障并消除故障影响显得比较重要。本文对无人机各控制节点的故障研究,做了一定的梳理,并最终落脚于当前国内研究较为薄弱的翼面故障这一方面。较为深入的分析了常规布局固定翼无人机在三个翼面出现部分损坏情形下的飞行状态表现,由此讨论得出了故障类别与角速度状态变化的关系。理论上,本文对系统辨识建模、基于解析模型的故障诊断和伪逆法容错控制做了简要介绍,推导了递推最小二乘法辨识系统参数和基于观测器完成残差设计与残差评估而实现故障诊断的步骤,并给出了伪逆矩阵的求解方法。针对小型无人机,本文利用STM32单片机搭建了故障诊断与容错控制系统平台,移植μC/OS-II操作系统实现了数据记录与控制传递功能的模块化。之后设计了垂直尾翼故障植入机构,利用硬件平台采集的试验飞机的正常飞行控制数据与三轴角速度状态数据进行辨识建模,获得了针对三个状态的观测器,并基于该观测器构造了残差,设计了基于残差的故障识别向量和故障判别法则。本文以垂直尾翼故障为算例,飞行中启动故障植入机构,获得了垂直尾翼突然损坏的故障飞行数据。在Matlab中用所设计的方法对该数据进行处理得出了残差曲线与故障识别向量,由此根据判别法则判断出故障类别,验证了方法的正确性。最后根据飞机控制舵面效应的先验知识,给出了不同故障类别实现容错控制的伪逆矩阵的形式。
【关键词】：无人机 故障诊断 容错控制 翼面损坏 嵌入式系统
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V267
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 第一章 绪论8-18
• 1.1 无人机系统概述8-9
• 1.2 无人机故障诊断与容错控制的研究背景与意义9-11
• 1.3 故障诊断技术概述11-14
• 1.3.1 基于解析模型的故障诊断12-13
• 1.3.2 基于知识的故障诊断13
• 1.3.3 基于数据驱动的故障诊断13-14
• 1.4 容错控制技术概述14
• 1.5 当前国内外研究状况与本文研究内容14-18
• 1.5.1 当前国内外研究状况14-16
• 1.5.2 本文研究内容16-18
• 第二章 无人机故障类别概述与翼面故障分析18-24
• 2.1 无人机典型控制链路节点故障概述18-20
• 2.1.1 无人机飞行控制器故障18
• 2.1.2 无人机飞行传感器故障18-19
• 2.1.3 无人机执行器故障19-20
• 2.2 无人机翼面故障20-23
• 2.2.1 常规布局固定翼飞机翼面概述20-21
• 2.2.2 主翼单边部分受损分析21
• 2.2.3 水平尾翼单边部分受损分析21-22
• 2.2.4 垂直尾翼部分受损分析22-23
• 2.2.5 翼面故障与角速度状态的关系23
• 2.3 本章小结23-24
• 第三章 辨识建模、故障诊断与容错控制原理24-33
• 3.1 系统辨识建模原理24-28
• 3.1.1 系统的建模方式24-25
• 3.1.2 最小二乘辨识法25-26
• 3.1.3 批处理最小二乘辨识法26-27
• 3.1.4 递推最小二乘辨识法27-28
• 3.2 基于解析模型的故障诊断原理28-31
• 3.2.1 问题描述28-29
• 3.2.2 基于观测器的残差构造29-30
• 3.2.3 残差评估30-31
• 3.3 伪逆法容错控制原理31-32
• 3.3.1 伪逆法概述31
• 3.3.2 伪逆法的实现过程31-32
• 3.4 本章小结32-33
• 第四章 系统的硬件和软件平台实现33-49
• 4.1 硬件选型33-36
• 4.1.1 微控制器选型33-34
• 4.1.2 传感器选型34-35
• 4.1.3 数据记录器35-36
• 4.2 系统硬件电路设计36-39
• 4.3 软件系统实现39-47
• 4.3.1 μC/OS-II嵌入式开源实时操作系统简介40
• 4.3.2 μC/OS-II嵌入式开源实时操作系统在STM32的移植40-41
• 4.3.3 控制量输入与控制量输出任务创建41-44
• 4.3.4 三轴角速度测量44-46
• 4.3.5 基于FATFS文件系统的Micro SD卡存储实现46-47
• 4.4 本章小结47-49
• 第五章 辨识建模、故障诊断的实现与容错控制49-60
• 5.1 实验无人机介绍与故障植入机构设计49-51
• 5.1.1 实验对象49-50
• 5.1.2 垂直尾翼故障植入机构设计50-51
• 5.2 用系统辨识方法构造三状态输出模型51-55
• 5.2.1 飞行数据准备51-52
• 5.2.2 RLS递推最小二乘法辨识系统参数52-55
• 5.3 翼面损伤时的故障诊断55-57
• 5.3.1 残差与故障映射向量构造55-56
• 5.3.2 垂直尾翼故障诊断算例56-57
• 5.4 翼面损伤时的容错控制讨论57-58
• 5.5 本章小结58-60
• 第六章 全文总结与展望60-62
• 6.1 总结60-61
• 6.2 展望61-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-65
• 附录65-70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 淳于江民,张珩;无人机的发展现状与展望[J];飞航导弹;2005年02期

2 姜斌;杨浩;;飞控系统主动容错控制技术综述[J];系统工程与电子技术;2007年12期

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本文编号：396806