六旋翼飛行器動力系統(tǒng)容錯控制方法研究
發(fā)布時間：2021-07-12 05:37
無人機為人們的生產(chǎn)生活帶來了很多便利,但是無人機墜毀也對人們的人身安全和財產(chǎn)安全帶來了巨大的損失。為了減少無人機的墜毀事故,本文對六旋翼飛行器動力系統(tǒng)的容錯控制方法進行了研究。研究的主要內(nèi)容包括:1)基于牛頓第二定律和歐拉動力學方程,建立了六旋翼飛行器完整的動力學模型,并將非線性的動力學模型用一種線性變參數(shù)的方法表示。最后,分析了動力系統(tǒng)的故障模式并建立了相應的故障模型。2)在線性表示的六旋翼飛行器動力學模型的基礎上,設計了基于滑模控制方法的飛行控制器。該飛行控制器可以實現(xiàn)對飛行器高度和姿態(tài)角的控制,并對飛行器系統(tǒng)的不確定性、旋翼未建模的動態(tài)具有魯棒性。在飛行控制器的設計過程中,用極點配置的方法對滑模面進行設計,根據(jù)線性表示的飛行器動力學模型和趨近律設計了滑模控制率,同時還對控制率的穩(wěn)定性進行了分析。為了驗證飛行控制器的有效性,在Simulink環(huán)境下進行了仿真驗證。3)在設計的飛行控制器的基礎上,設計了基于控制分配的容錯控制算法。該算法可以在飛行器動力系統(tǒng)故障的情況下,對六旋翼系統(tǒng)的控制分配問題建立優(yōu)化模型以實現(xiàn)對飛行控制器產(chǎn)生的控制信號合理分配。另外,在文中還提出了一種計算資源節(jié)約...
【文章來源】：浙江大學浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：74 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖１．１美國軍用無人機??
信息或??者售棒的控制算法對無人機的故障部位進行補償，以保證無人機安全降落或者繼續(xù)穩(wěn)定??飛行。將容錯控制技術應用到無人機控制系統(tǒng)中可以大大提高無人機系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)??定性，減少無人機因為系統(tǒng)故障造成的對環(huán)境或者人類的二次傷害。從學術角度考慮，不??具備容錯控制能力的無人機控制算法在無人機控制框架里是不完整的，所以針對無人機??系統(tǒng)的容錯控制研究也是對飛行器控制框架的補充和完善。因此，針對無人機系統(tǒng)的容錯??控制研究對實際的生產(chǎn)生活和飛行器控制算法研究都具有極其重要的意義。??如圖１．２所示，按照無人機系統(tǒng)構造、外形、驅動方法等的不同，可以將無人機系統(tǒng)??分為固定翼無人機和旋翼無人機［＿１５１。對于固定翼無人機，機翼的設計根據(jù)了伯努力定律，??通過機翼上下不等速的氣流為飛行器提供升力，飛行器的橫滾運動通過飛行器的副翼實??現(xiàn)，無人機的俯仰角和偏航角的改變則是通過對尾翼的操作來實現(xiàn)。由于固定翼無人機驅??動方式和結構的特硃性，固定翼飛行器不僅可以飛行較遠的距離，而且可以提供較大的??載重量，這也是民航部門選擇固定翼飛行器載人的原因。在旋翼無人機系統(tǒng)中，動力系統(tǒng)??（電機和螺旋槳組合）是最重要的組成部分。在旋翼無人機系統(tǒng)中，旋翼的轉動產(chǎn)生氣流，??氣流與空氣相對作用產(chǎn)生的向上的力作用在旋翼無人機機體上，推動旋翼飛行器向上飛??行，通過飛行器不同旋翼轉速的配合改變飛行器的位姿。相比較來說，旋翼無人機比固定??翼無人機具有更多優(yōu)勢，如體積孝方便垂直起降、成本低、控制方便等。因此，旋翼無??人機在人類生產(chǎn)生活的各個方面都得到了大量的應用。??⑷固定翼無人機?（ｂ）旋翼無人機??圖１．２不同種類的無人機??３??
浙江大學碩士學位淪文?２．六旋翼飛行器系統(tǒng)模型??〇?〇??ｏｒ?Ｓ〇?ｏｒ?Ｓ？??６?ｏ??■正轉■反轉?■正轉■反轉??（ａ）?ＰＮＰＮＰＮ型配置?（ｂ）?ＰＰＮＮＰＮ型配置??圖２．１兩種“米”型結構的六旋翼飛行器動力系統(tǒng)配置圖??提供輸入動力，但是在他們機械結構上的容錯能力是不同的。在一個電機徹底失效的情況??下，雖然ＰＮＰＮＰＮ型配置的飛行器系統(tǒng)有冗余的旋翼，但是該結構的飛行器仍然是不可??控的。然而，ＰＰＮＮＰＮ型配置的六旋翼飛行器在一個旋翼甚至兩個旋翼因為故障完全失效??的情況下，飛行器系統(tǒng)依然是可控的［３９］。本文的容錯控制算法是利用執(zhí)行機構的冗余性，??將控制器產(chǎn)生的控制作用分配給沒有故障的旋翼以實現(xiàn)對動力系統(tǒng)的容錯控制，保證飛??行器的穩(wěn)定飛行，因此在本文中，選用如圖２．１ｂ所示的ＰＰＮＮＰＮ型配置的六旋翼飛行器。??在介紹六旋翼飛行器的狀態(tài)量之前，需要對飛行器系統(tǒng)中常用的坐標系進行介紹。六??旋翼飛行器的位置是在地面坐標系下定義的，而飛行器的姿態(tài)是由機體坐標和地面坐標??系的旋轉關系決定的，因此本文對地面坐標系和機體坐標系進行介紹。他們的定義如下所??示：??１．地面坐標系ＯｅＸｅＦｅＺｅ??地面坐標系選用北－東－地（Ｎｏｒｔｈ－Ｅａｓｔ－Ｄｏｗｎ，?ＮＥＤ）坐標系。地面坐標系的軸、??軸和軸滿足右手定則，并且分別指向地理的北方向，東方向和垂直于地??面向下。地面坐標系的原點為六旋翼飛行器起飛時飛行器的質心。在地面坐標系下??可以很方便地對六旋翼飛行器的空間位置進行表示［＃４１１。??２．機體坐標系??機體坐標系是為了方便表示和描述六旋翼飛行器在飛行過程中的飛行姿態(tài)而建立??
【參考文獻】：
期刊論文
[1]一種傾轉四旋翼無人機及其過渡段姿態(tài)控制[J]. 沈楊楊,楊忠,張翔,李勁松. 兵工自動化. 2018(03)
[2]基于無人機分類和安全性的空域融合研究[J]. 田宏安,劉函林. 科技與創(chuàng)新. 2017(14)
[3]基于模糊路面識別的多輪獨立電驅動車輛驅動防滑控制[J]. 廖自力,劉棟,陽貴兵,陳路明. 裝甲兵工程學院學報. 2017(03)
[4]基于ARM處理器的四旋翼無人機自主控制系統(tǒng)研究[J]. 張垚,鮮斌,殷強,劉洋,王福. 中國科學技術大學學報. 2012(09)
博士論文
[1]多旋翼無人飛行器高機動飛行控制研究[D]. 付春陽.吉林大學 2018
[2]衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的混合故障診斷方法研究[D]. 程瑤.哈爾濱工業(yè)大學 2016
碩士論文
[1]基于混雜控制系統(tǒng)的八旋翼飛行器設計[D]. 范繼偉.東北電力大學 2018
[2]四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D]. 高京都.大連理工大學 2015
本文編號：3279320
【文章來源】：浙江大學浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：74 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
圖１．１美國軍用無人機??
信息或??者售棒的控制算法對無人機的故障部位進行補償，以保證無人機安全降落或者繼續(xù)穩(wěn)定??飛行。將容錯控制技術應用到無人機控制系統(tǒng)中可以大大提高無人機系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)??定性，減少無人機因為系統(tǒng)故障造成的對環(huán)境或者人類的二次傷害。從學術角度考慮，不??具備容錯控制能力的無人機控制算法在無人機控制框架里是不完整的，所以針對無人機??系統(tǒng)的容錯控制研究也是對飛行器控制框架的補充和完善。因此，針對無人機系統(tǒng)的容錯??控制研究對實際的生產(chǎn)生活和飛行器控制算法研究都具有極其重要的意義。??如圖１．２所示，按照無人機系統(tǒng)構造、外形、驅動方法等的不同，可以將無人機系統(tǒng)??分為固定翼無人機和旋翼無人機［＿１５１。對于固定翼無人機，機翼的設計根據(jù)了伯努力定律，??通過機翼上下不等速的氣流為飛行器提供升力，飛行器的橫滾運動通過飛行器的副翼實??現(xiàn)，無人機的俯仰角和偏航角的改變則是通過對尾翼的操作來實現(xiàn)。由于固定翼無人機驅??動方式和結構的特硃性，固定翼飛行器不僅可以飛行較遠的距離，而且可以提供較大的??載重量，這也是民航部門選擇固定翼飛行器載人的原因。在旋翼無人機系統(tǒng)中，動力系統(tǒng)??（電機和螺旋槳組合）是最重要的組成部分。在旋翼無人機系統(tǒng)中，旋翼的轉動產(chǎn)生氣流，??氣流與空氣相對作用產(chǎn)生的向上的力作用在旋翼無人機機體上，推動旋翼飛行器向上飛??行，通過飛行器不同旋翼轉速的配合改變飛行器的位姿。相比較來說，旋翼無人機比固定??翼無人機具有更多優(yōu)勢，如體積孝方便垂直起降、成本低、控制方便等。因此，旋翼無??人機在人類生產(chǎn)生活的各個方面都得到了大量的應用。??⑷固定翼無人機?（ｂ）旋翼無人機??圖１．２不同種類的無人機??３??
浙江大學碩士學位淪文?２．六旋翼飛行器系統(tǒng)模型??〇?〇??ｏｒ?Ｓ〇?ｏｒ?Ｓ？??６?ｏ??■正轉■反轉?■正轉■反轉??（ａ）?ＰＮＰＮＰＮ型配置?（ｂ）?ＰＰＮＮＰＮ型配置??圖２．１兩種“米”型結構的六旋翼飛行器動力系統(tǒng)配置圖??提供輸入動力，但是在他們機械結構上的容錯能力是不同的。在一個電機徹底失效的情況??下，雖然ＰＮＰＮＰＮ型配置的飛行器系統(tǒng)有冗余的旋翼，但是該結構的飛行器仍然是不可??控的。然而，ＰＰＮＮＰＮ型配置的六旋翼飛行器在一個旋翼甚至兩個旋翼因為故障完全失效??的情況下，飛行器系統(tǒng)依然是可控的［３９］。本文的容錯控制算法是利用執(zhí)行機構的冗余性，??將控制器產(chǎn)生的控制作用分配給沒有故障的旋翼以實現(xiàn)對動力系統(tǒng)的容錯控制，保證飛??行器的穩(wěn)定飛行，因此在本文中，選用如圖２．１ｂ所示的ＰＰＮＮＰＮ型配置的六旋翼飛行器。??在介紹六旋翼飛行器的狀態(tài)量之前，需要對飛行器系統(tǒng)中常用的坐標系進行介紹。六??旋翼飛行器的位置是在地面坐標系下定義的，而飛行器的姿態(tài)是由機體坐標和地面坐標??系的旋轉關系決定的，因此本文對地面坐標系和機體坐標系進行介紹。他們的定義如下所??示：??１．地面坐標系ＯｅＸｅＦｅＺｅ??地面坐標系選用北－東－地（Ｎｏｒｔｈ－Ｅａｓｔ－Ｄｏｗｎ，?ＮＥＤ）坐標系。地面坐標系的軸、??軸和軸滿足右手定則，并且分別指向地理的北方向，東方向和垂直于地??面向下。地面坐標系的原點為六旋翼飛行器起飛時飛行器的質心。在地面坐標系下??可以很方便地對六旋翼飛行器的空間位置進行表示［＃４１１。??２．機體坐標系??機體坐標系是為了方便表示和描述六旋翼飛行器在飛行過程中的飛行姿態(tài)而建立??
【參考文獻】：
期刊論文
[1]一種傾轉四旋翼無人機及其過渡段姿態(tài)控制[J]. 沈楊楊,楊忠,張翔,李勁松. 兵工自動化. 2018(03)
[2]基于無人機分類和安全性的空域融合研究[J]. 田宏安,劉函林. 科技與創(chuàng)新. 2017(14)
[3]基于模糊路面識別的多輪獨立電驅動車輛驅動防滑控制[J]. 廖自力,劉棟,陽貴兵,陳路明. 裝甲兵工程學院學報. 2017(03)
[4]基于ARM處理器的四旋翼無人機自主控制系統(tǒng)研究[J]. 張垚,鮮斌,殷強,劉洋,王福. 中國科學技術大學學報. 2012(09)
博士論文
[1]多旋翼無人飛行器高機動飛行控制研究[D]. 付春陽.吉林大學 2018
[2]衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的混合故障診斷方法研究[D]. 程瑤.哈爾濱工業(yè)大學 2016
碩士論文
[1]基于混雜控制系統(tǒng)的八旋翼飛行器設計[D]. 范繼偉.東北電力大學 2018
[2]四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D]. 高京都.大連理工大學 2015
本文編號：3279320
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