无人机容错飞行控制系统关键技术研究

摘要

近年来，无人机在军用、民用领域得到了前所未有的重视。无人机应用越来越广，功能越来越强，对飞行控制系统的安全、可靠性要求也越来越高。提高飞行控制系统的可靠性，可以从两个方面来实现：一方面提高系统硬件和软件的可靠性，使系统在高可靠的平台上运行；另一方面，使用容错控制律，使系统不仅在正常情况下达到满意的控制性能，在故障或损伤情况下，能够依据故障特性和损伤特性改变控制策略，通过重构或重组保证系统的稳定性，使系统保持可接受的性能。居于此，本论文对无人机容错飞行控制计算机硬件余度技术及容错控制技术进行研究。 (1)对容错飞行控制计算机安全可靠性、实时性、维护性等设计需求进行分析，说明无人机容错飞控计算机的设计特点；对典型的军用、民用、无人机的容错飞行控制计算机体系结构进行研究，阐述了针对不同需求设计的系统架构的特点及关键余度管理算法；总结了容错飞行控制计算机随科技进步的发展趋势。在此基础上，提出一种基于FlexRay串行总线的分布式三模余飞控计算机系统（FDTMR-FCCS）架构，FlexRay总线既是单通道计算机的背板总线，也是3个通道计算机的交叉数据互联总线。可靠性分析表明FDTMR-FCCS的可靠性高于传统的三模余计算机。 (2)针对FDTMR-FCCS设计了拜占庭故障检测逻辑，利用FDTMR-FCCS的结构特点，使系统在使用口头协议的情况下，用3台计算机抑制1个拜占庭故障。此外，提供成员管理服务提高通信系统的一致性。使用一种分级数据交叉传输方法降低拜占庭故障检测的数据通信量，确保系统的实时性。给出了FlexRay关键参数的设定、数据帧及任务的调度方法。静态数据帧负荷段长度通过最大化带宽利用率获取，代价函数考虑了信息的传输频率。FlexRay系统工作于同步方式，使用多任务并行调度方法实现信息及任务调度，降低了同步调度的难度，提高了系统的扩展能力。对每个数据帧标号（FID）设置一个周期调度表，使得不同的数据帧可以共用一个FID，从而减少了FID的分配。 (3)针对某型无人机，研制了FDTMR-FCCS原理样机，并在XX型无人机半物理仿真测试系统中进行了仿真及测试，验证了设计方法的可行性和实用性。 (4)对已在飞行试验或高可信仿真试验中验证的重构飞行控制方法进行研究，对参数在线辨识、神经网络、动态逆、模型预测控制方法的原理、研究成果、验证项目、潜在优点和缺点等进行了说明。研究了无动力无人飞行器进场着陆段结构损伤及舵面卡死下的重构飞行控制器，该控制器包含一个反演轨迹控制器和一个动态逆内环控制器，逆模型使用线性化模型，用神经网络在线补偿逆模型的误差。针对轨道飞行器进行仿真，高可信度仿真试验表明，该控制系统在舵面卡死及机翼损伤的情况下，可以保持系统纵向稳定，满足安全着陆的要求。

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