无人直升机传感器故障诊断与容错控制方法研究

摘要

当前，无人机发展如火如荼，无人直升机由于能够垂直起降、能够低速飞行、定点悬停的优势应用更加广泛，发展势头更加迅猛。国际国内各大科研院机构争相研发新型无人直升机，投入到民用或者军用。
　　但是由于无人直升机平台的具有强干扰、强振动等恶劣的工作环境。其飞行控制器对于传感器的要求较高。一旦发生传感器故障，会导致无人直升机的误控制甚至失控坠机。所以就出现了针对无人直升机飞行控制系统的传感器故障诊断与容错控制。无人直升机飞行控制系统的传感器故障诊断与容错控制有很多种方法，目前，最常用的就是传感器多余度设计，一旦有传感器故障就用余度传感器代替故障传感器，实现容错控制。由于无人直升机的成本和载重有限，这样多余度故障诊断与容错控制系统就使其增加了成本，降低了任务能力。所以本论文提出了一种新的基于解析模型的故障诊断与容错控制方法。该方法只需要一套传感器就可以实现，大大降低了无人直升机的成本。主要的研究过程如下：
　　首先针对某型无人直升机建立数学模型，为后面仿真验证该故障诊断与容错控制方法做准备。又分析了无人直升机 IMU模块传感器的工作原理，分析并建立了IMU模块传感器的常见故障模型。进一步提出无人直升机飞行控制系统传感器故障诊断与容错控制方法：利用所建立的无人直升机模型，设计全维主观测器和针对每个输出的降维观测器，实现对无人直升机模型的解耦输出。求出全维主观测器与无人直升机模型输出的主残差，以及各个降维观测器解耦输出与无人直升机模型输出的次残差。先应用序贯概率比准则判断该主残差，确定系统是否发生故障。一旦确定发生故障，就对比次残差，此时会发现只有发生故障传感器所对应的那个降维观测器的输出次残差变化非常明显，其他次残差基本为零。这样就确定了故障的传感器，此时立即隔离故障传感器，用其他传感器输出的加权值（重构信号）来代替故障传感器的输出值。然后将重构信号反馈给无人直升机飞行控制器。无人直升机飞行控制算法采用滑模变结构控制算法，这样会针对每一种传感器故障模型切换到相应的滑模面进行控制，实现更好的容错控制。最后利用Matlab的GUI环境建立了一个简单的仿真系统，来完成该算法的仿真验证。仿真时，分别假设各姿态角传感器发生了故障，以此验证该方法的有效性和实用性。仿真结果表明该传感器故障诊断与容错控制方法可行，且具有比较高的实时性。

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第1章绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2故障诊断与容错控制主要研究方法与国内外研究现状

1.3论文研究的内容和组织结构

第2章小型无人直升机建模

2.1相关坐标系

2.2旋翼动力学分析

2.3直升机运动学方程和动力学方程

2.4本章小结

第3章无人直升机IMU模块传感器建模与故障分析

3.1垂直陀螺仪建模与故障研究

3.2角速率陀螺建模和故障研究

3.3加速度计建模与故障研究

3.4磁航向计建模与故障研究

3.5本章小结

第4章无人直升机控系统快速故障诊断

4.1卡尔曼滤波

4.2观测器故障检测

4.3序贯概率比

4.4联合观测器故障快速诊断

4.5快速故障诊断与传感器信号重构仿真验证

4.6本章小结

第5章无人直升机飞控系统容错控制算法研究仿真验证

5.1滑模变结构控制

5.2无人直升机飞控系统滑模变结构姿态控制率设计与验证

5.3本章小结

第6章无人直升机故障诊断与容错控制仿真及分析

6.1MatlabGUI仿真环境建立

6.2仿真验证与结果分析

6.3本章小结

第7章总结与展望

参考文献

参加科研情况

致谢

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