小型无人机飞行控制系统重构设计

摘要

小型无人机具有低价、体积小、重量轻、飞行损耗小等特点,在侦查、巡逻、救援等军民用方面具有广阔的应用空间。飞行控制系统的稳定性和安全性是无人机在各个领域应用的保障,飞行容错控制技术能够增强无人机故障后飞行的安全性和稳定性,因此飞行容错控制技术成为当前研究热点。本论文以小型无人机应用为背景,研究小型无人机飞行控制重构技术,重点研究重构控制系统的实用性和实时性。
　　 小型无人机一般采用单余度设计,飞行控制故障后重构控制只能根据系统解析冗余进行设计,传统辨识方法复杂而且往往不能满足无人机重构控制的实时性。本文采用多个线性模型描述由于故障多样性引起的无人机非线性动态特性,采用基于线性模型的方法离线重构控制器参数,实际飞行中在线自适应选择控制律,并针对存在大扰动的重构过程设计了动态补偿方案,保证无人机在故障发生后重构完成前的过渡过程的安全性。
　　 论文的主要工作及成果包括:
　　 1、对无人机控制系统进行分析建模,搭建了Matlab环境下的仿真模型,为控制系统性能验证提供了平台。
　　 2、分析无人机控制系统的故障类型,研究了故障后无人机可重构性及重构策略。
　　 3、无人机控制系统重构对实时性和实用性要求比较高,本文提出了改进的多模型自适应重构控制方法。该方法针对传统方法的不足,用多个简单的线性模型描述由不同故障引起的飞行控制系统的复杂非线性动态,系统重构后满足稳定性和安全性要求。
　　 4、提出了一种改进的多模型自适应重构控制方法,仿真实验表明该方法能够满足飞行控制系统的安全性和可靠性要求。

目录

文摘

英文文摘

1 引言

1.1 课题背景及意义

1.1.1 小型无人机概况

1.1.2 小型无人机飞行控制系统概况

1.1.3 无人机飞行控制系统控制重构研究意义

1.2 小型无人机容错控制研究现状

1.2.1 飞行控制系统容错控制技术综述

1.2.3 飞行容错控制系统研究趋势

1.3 研究内容和研究方法

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法

1.4 论文组织

2 无人机建模及正常状态控制律设计

2.1 概述

2.2 相关工作

2.3 无人机系统建模

2.3.1 小型无人机非线性模型

2.3.2 无人机线性化数学模型

2.3.3 舵机模型

2.3.4 发动机模型

2.3.5 无人机系统在MATLAB下的仿真模型

2.4 飞行控制系统设计

2.4.1 控制系统结构设计

2.4.2 控制律设计指标

2.4.3 姿态控制律设计

2.4.4 外回路控制器设计

2.5 实验结果与分析

2.6 本章小结

3 无人机故障分析与可重构性研究

3.1 概述

3.2 相关工作

3.3 飞行控制系统故障类型

3.3.1 传感器故障

3.3.2 系统参数故障

3.3.3 执行器故障

3.4 执行器故障

3.5 执行器故障可重构性分析

3.6 执行器故障分析与重构策略

3.7 小结

4 多模型自适应重构控制设计

4.1 概述

4.2 相关工作

4.3 改进的多模型自适应重构控制方法

4.3.1 多模型建立

4.3.2 控制器集合设计

4.3.3 切换策略与切换函数设计

4.3.4 故障后重构切换过渡过程补偿

4.4 实验结果与分析

4.4.1 副翼故障的控制重构

4.4.2 V型尾翼故障的控制重构

4.5 小结

5 实验结果与分析

5.1 实验方法

5.1.1 飞行动作序列生成

5.1.2 执行器故障注入

5.2 实验结果分析

5.3 重构控制鲁棒性验证

5.4 小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间完成的科研成果