无人直升机飞行传感器仿真及其故障诊断与容错技术研究

摘要

无人直升机机载飞行传感器通常有体积、重量等方面的限制,并且经常工作在振动、强干扰等恶劣环境下,所以飞行传感器是无人直升机控制系统中可靠性要求比较高的环节之一。本论文旨在设计一套无人直升机飞行传感器仿真系统,模拟真实飞行传感器并给出了一种传感器的故障诊断和容错设计方法。主要研究工作如下:
　　 针对某型无人直升机机载飞行传感器进行逐一分析和研究,分别建立垂直陀螺、压电式角速率陀螺、挠性加速度计、磁航向计、大气数据计算系统和GPS的数学模型；研究并建立了各个传感器的误差模型；分析了各个传感器可能出现的故障并给出了相应的故障模式。
　　 利用垂直陀螺、压电陀螺、加速度计、大气数据计算系统、GPS、磁航向计的误差状态和测量信息,给出了一种基于双状态χ2的故障诊断和联邦滤波容错算法,通过分别设计联邦滤波子系统,解决输出频率不同的传感器测量信息融合问题。基于某无人直升机模型,按设定航迹飞行,利用建立的无人直升机飞行仿真模型给出了其位置、速度和姿态等传感器测量输出信息,并利用所提的故障诊断与联邦滤波容错算法开展了传感器故障诊断与信息融合仿真试验。
　　 为了验证无人直升机传感器仿真系统的实用性,采用高性能DSP设计了一套传感器仿真器,设计了各传感器的输入输出接口,通过上位机将各传感器的误差和故障注入到仿真器中,并设计了故障诊断和容错设计算法程序,完成了无人直升机飞行传感器仿真系统的半实物仿真试验。仿真结果表明该传感器仿真器能够模拟真实传感器的测量信号和诊断出传感器发生的故障并进行容错处理,在飞行控制系统半实物仿真试验阶段具有重要价值和意义。

目录

文摘

英文文摘

图清单

表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 无人直升机飞行传感器仿真技术研究现状与发展

1.3 无人直升机传感器故障诊断与容错技术研究现状与发展

1.3.1 无人直升机飞行传感器故障诊断技术研究现状与发展

1.3.2 无人直升机飞行传感器容错技术研究现状与发展

1.4 本论文的研究内容和安排

第二章 无人直升机飞行传感器建模及其误差与故障研究

2.1 垂直陀螺建模及其误差与故障研究

2.1.1 垂直陀螺建模

2.1.2 垂直陀螺误差研究

2.1.3 垂直陀螺故障研究

2.2 压电式角速率陀螺建模及其误差与故障研究

2.2.1 压电式角速率陀螺建模

2.2.2 压电式角速率陀螺误差研究

2.2.3 压电式角速率陀螺故障研究

2.3 挠性加速度计建模及其误差与故障研究

2.3.1 挠性加速度计建模

2.3.2 挠性加速度计误差研究

2.3.3 挠性加速度计故障研究

2.4 磁航向计建模及其误差与故障研究

2.4.1 磁航向计建模

2.4.2 磁航向计误差研究

2.4.3 磁航向计故障研究

2.5 大气数据计算系统建模及其误差与故障研究

2.5.1 大气数据计算系统建模

2.5.2 大气数据计算系统误差研究

2.5.3 大气数据计算系统故障研究

2.6 GPS建模及其误差与故障研究

2.6.1 GPS建模

2.6.2 GPS误差研究

2.6.3 GPS故障研究

2.7 本章小结

第三章 无人直升机飞行传感器故障诊断与容错技术研究

3.1 坐标系定义

3.2 传感器误差状态方程与测量方程的建立

3.2.1 误差状态方程的建立

3.2.2 量测方程的建立

3.3 传感器故障诊断策略

3.3.1 传感器故障诊断

3.3.2 状态x2检验法

3.4 传感器容错策略

3.4.1 联邦滤波理论

3.4.2 飞行传感器联邦滤波器设计

3.5 联邦滤波仿真算法设计

3.6 本章小结

第四章 无人直升机传感器仿真系统设计与测试

4.1 无人直升机传感器仿真系统方案设计

4.2 无人直升机传感器仿真系统硬件设计

4.2.1 无人直升机传感器仿真系统核心板

4.2.2 无人直升机传感器仿真系统母板设计

4.3 无人直升机传感器仿真系统软件设计

4.3.1 软件总体流程设计

4.3.2 上位机串口通信子程序流程图

4.3.3 传感器数据发送子程序流程图

4.4 无人直升机传感器仿真系统测试与数据分析

4.4.1 垂直陀螺仿真测试与数据分析

4.4.2 磁航向计仿真测试与数据分析

4.4.3 压电陀螺仿真测试与数据分析

4.4.4 挠性加速度计仿真测试与数据分析

4.4.5 大气数据计算系统仿真测试与数据分析

4.4.6 GPS仿真测试与数据分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作