【摘要】：導(dǎo)航系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著導(dǎo)航定位及姿態(tài)確定等重要職責(zé),其精確度和可靠性在航天、航空、航海中起著相當(dāng)重要的作用。陀螺儀作為導(dǎo)航系統(tǒng)的核心器件,可以為運(yùn)載體提供準(zhǔn)確的導(dǎo)航定位參數(shù),如姿態(tài)角、角速度以及角加速度等,已被廣泛應(yīng)用于各種運(yùn)載體的導(dǎo)航定位。陀螺儀長期使用中因故障誘發(fā)因素的不同而產(chǎn)生這樣或那樣的故障,影響其導(dǎo)航性能。因此,陀螺儀關(guān)鍵參數(shù)預(yù)測及故障診斷,對于提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度以及可靠性具有重要的意義。本文主要針對陀螺儀功能性故障進(jìn)行研究,提出相應(yīng)的故障診斷及故障預(yù)測算法,研究內(nèi)容主要分為三個(gè)部分:第一部分為陀螺儀數(shù)據(jù)預(yù)測,第二部分為帶冗余配置的陀螺儀故障診斷,第三部分為陀螺儀故障預(yù)測。在陀螺儀數(shù)據(jù)預(yù)測算法中,首先分析了BP網(wǎng)絡(luò)、SVM網(wǎng)絡(luò)以及長短期記憶(LSTM)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及算法,提出了預(yù)測效果的評價(jià)指標(biāo),其次針對LSTM網(wǎng)絡(luò),建立了陀螺儀數(shù)據(jù)預(yù)測算法,采用某陀螺儀實(shí)測數(shù)據(jù)對上述提到的三種預(yù)測方法進(jìn)行了比較及仿真分析,驗(yàn)證了LSTM算法具有較高的預(yù)測準(zhǔn)確性及有效性;在帶冗余配置的陀螺儀故障診斷算法中,以三自由度陀螺儀為對象,首先研究了三個(gè)陀螺儀冗余配置的形式,并搭建了組合陀螺儀輸出信號仿真平臺,其次將搭建的組合陀螺儀實(shí)物搭載在無人機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn),通過對某個(gè)陀螺儀進(jìn)行干擾來模擬可能出現(xiàn)的故障,如傳感器無法供電、傳感器偏離原來測量位置等,并利用上位機(jī)獲取陀螺儀正常和故障數(shù)據(jù),根據(jù)奇偶校驗(yàn)法對故障陀螺進(jìn)行檢測與識別,同時(shí)提出了基于冗余配置信息和基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的陀螺儀故障檢測方法,并對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行替換;在陀螺儀故障預(yù)測方面,首先給出了陀螺儀故障預(yù)測整體框圖,利用MATLAB軟件搭建了典型故障的仿真模型,并采集了相應(yīng)的樣本信息,提出了故障預(yù)測效果的評價(jià)指標(biāo),利用BP網(wǎng)絡(luò)、SVM網(wǎng)絡(luò)以及LSTM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了陀螺儀故障預(yù)測并比較了三種方法的預(yù)測效果。本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括研究了三自由度陀螺儀冗余配置形式,搭建了帶冗余配置的陀螺儀輸出數(shù)據(jù)仿真平臺,同時(shí)提出了基于冗余配置信息和基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的故障檢測算法,并對陀螺儀故障數(shù)據(jù)進(jìn)行替換及預(yù)測。該研究為陀螺儀冗余故障診斷、異常變化檢測以及故障預(yù)測工作提供比較實(shí)用的技術(shù)工具。本研究得到國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(編號:91646108,61473222)的資助。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN96
【圖文】：

本章針對陀螺儀故障進(jìn)行了分析，具體包括介紹了陀螺儀常見類型，并歸納了導(dǎo)航中陀螺儀故障的類型，其次分析了不同類型陀螺儀故障產(chǎn)生的原因，最后總結(jié)了陀螺障診斷存在的薄弱環(huán)節(jié)。這部分內(nèi)容為之后的陀螺儀異常變化檢測以及陀螺儀故障預(yù)供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。1 陀螺儀分類到目前為止，陀螺儀的發(fā)展已經(jīng)非常成熟。根據(jù)陀螺儀轉(zhuǎn)子主軸具有的進(jìn)動(dòng)自由心的幾何位置、支撐方式以及產(chǎn)生效應(yīng)的原理大致可分為四大類[1]，陀螺儀具體分類 2-1 所示。近十幾年來，陀螺儀發(fā)展比較迅速的包括靜電陀螺儀、激光陀螺儀、光纖儀以及振動(dòng)陀螺儀[3]，靜電陀螺儀是采用靜電技術(shù)或光電技術(shù)支撐高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在摩擦，精度較高，激光陀螺儀利用激光技術(shù)測量物體相對于慣性空間的角速度，具率陀螺儀的功能[3]。上述提到的這幾種陀螺儀擁有高精度、體積小、耐沖擊以及實(shí)用等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域中的導(dǎo)航定位及姿態(tài)參數(shù)確定，是陀螺儀未來的主流方向[1]。

圖 2-2 陀螺儀故障分類Fig.2-2 Gyroscope Fault Classification（2）從外部環(huán)境對陀螺儀影響因素分析，溫度因素會(huì)引發(fā)陀螺儀絕緣老化、熱分形等故障，也是影響漂移故障的主要因素之一；濕度因素會(huì)引發(fā)陀螺電機(jī)卡死、表和陀螺儀電路板腐蝕等故障；振動(dòng)與沖擊[44]因素會(huì)引發(fā)陀螺儀出現(xiàn)接觸不良和器、磨損等故障；高強(qiáng)度和高寬帶的電磁干擾會(huì)引發(fā)陀螺儀性能退化、轉(zhuǎn)子失衡和電等故障[44]。這些環(huán)境因素對系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性和維護(hù)水平等具有致命性的打擊。（3）從故障持續(xù)時(shí)間對陀螺儀影響因素分析，永久性故障由硬件不可恢復(fù)的物理起，如陀螺電機(jī)損壞、軸承零件出現(xiàn)磨損老化、元器件接觸不良等[45]；瞬時(shí)性故時(shí)的環(huán)境條件引起，如溫度的變化、濕度的變化、電磁振動(dòng)等。這些因素都會(huì)影響正常運(yùn)行，甚至影響慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航性能。（4）從故障所輸出信號的特征對陀螺儀影響因素分析，振動(dòng)故障的產(chǎn)生有多種因素電機(jī)的損壞、轉(zhuǎn)子失衡、軸承的磨損、電源電壓不足等都會(huì)導(dǎo)致陀螺儀振動(dòng)故障的而影響導(dǎo)航性能。溫度變化會(huì)影響陀螺儀轉(zhuǎn)子體質(zhì)心軸向偏移、力矩器力矩系數(shù)，從而產(chǎn)生漂移故障。隨機(jī)漂移產(chǎn)生的原因是作用在陀螺上的干擾力矩，引起隨機(jī)

幾種網(wǎng)絡(luò)預(yù)測算法進(jìn)行了簡單介紹，提出了預(yù)測效果的評價(jià)指標(biāo)；LSTM）網(wǎng)絡(luò)，建立了陀螺儀數(shù)據(jù)趨測算法，并分析了不同網(wǎng)絡(luò)超效果的影響；最后對不同預(yù)測方法進(jìn)行了比較及仿真分析，并將其干實(shí)測數(shù)據(jù)中。型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)介紹，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛的發(fā)展，該網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的容錯(cuò)及泛化能力很不錯(cuò)，特別是對于實(shí)際中難以建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)用，也為故障診斷與預(yù)測方面提供了新思路。網(wǎng)絡(luò)，支持向量機(jī)（SVM）這個(gè)概念被科學(xué)家提出，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一測的學(xué)習(xí)方法[50-51]。1990 年，隨著科學(xué)家對于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論[52]的解決神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局限性，使得支持向量機(jī)網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展。支持向量究方法[53]，在解決一些非線性區(qū)域的識別及預(yù)測問題上有著獨(dú)特構(gòu)如圖 3-1 所示。

【相似文獻(xiàn)】

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本文編號：2813482