hex-rotor无人飞行器执行单元的故障分析与飞行控制

《hex-rotor无人飞行器执行单元的故障分析与飞行控制》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、密1.：,.誉teAC论？ofemy/独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研宄工作所取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解中国科学院大学及中国科学院长春光学精密机械与物理研究所有关保留、使用学位论文的规定，即：中国科学院大学及中国科学院长春光学精‘密机械与物理研宄所有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和

2、电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权中国科学院大学及中国科学院长春光学精密机械与物理研宄所可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书）指导教师签期:Z^WoB曰学位论文作者毕业后去向工作单位：电话:通讯地址：邮编:密级:博士学位论文Hex-Rotor无人飞行器执行单元的故障分析与飞行控制作者姓名:赵常均指导教师:续志军研究员中国科学院长春光学精密机械与物理研究所学位类别:工学博士学科专业:机械电子工程培养单位:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所20

3、15年4月FaultAnalysisofExecutionUnitsandFlightControlforHex-RotorUnmannedAerialVehicleByZhaoChang-junADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofScienceinEngineeringChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandP

4、hysicsChineseAcademyofSciencesApril,2015摘要Hex-Rotor无人飞行器执行单元的故障分析与飞行控制赵常均（机械电子工程）导师：续志军研究员摘要近十几年来，无人飞行器凭借其在军事与民用上广阔的应用前景得到了相关工程技术人员越来越多的重视，并取得了大量的研究成果。本文研究一种在平面多旋翼无人飞行器结构上发展而来的Hex-Rotor无人飞行器，该型飞行器通过六个旋翼在空间结构上带倾角的配置，改善了多旋翼无人飞行器偏航控制力矩弱的缺点，同时增加了飞行器的有效负载重量、滞空时间以及故障冗余能力。本文将围绕Hex-Rotor

5、无人飞行器的数学模型、执行单元故障分析、故障检测与诊断系统以及控制系统中的相关问题进行研究，主要内容包括以下几个方面：对Hex-Rotor无人飞行器的动力学特性进行了研究，分析动力学特性并建立动力学模型是设计飞行控制系统的基础。在对飞行器结构构型充分研究的基础上，通过合理的简化并利用相关动力学知识建立其质心平动与机体绕质心转动的动力学模型。最后给出了Hex-Rotor无人飞行器原型机的硬件架构(运算层、通讯层以及任务层)，并阐述了提高原型机软硬件可靠性的基本方法与下一步的研究内容。建立执行单元的升力故障模型。首先对无刷直流电动机的模型进行了研究分析，并设

6、计扩张状态观测器估计电动机的负载阻转矩。接下来阐述了驱动电路板常见的故障类型以及对飞行器系统的危害。然后分析了旋翼反扭力矩模型及升力模型，研究表明升力因子和反扭力矩因子会随外界因素有一定程度的波动，将其常量化的做法在某些条件下会降低控制效果。另外，本文还指出旋翼旋转的动不平衡对升力模型的影响，并通过FIR滤波器在一定程度上消除了升力波动带来的噪声。最后，分析执行单元故障类型(电动机故障、驱动电路板故障与旋翼故障)，I中国科学院大学博士学位论文：Hex-Rotor无人飞行器执行单元的故障分析与飞行控制建立升力故障模型(增益性故障与失效故障)。设计执行单元的

7、故障检测与诊断系统，该系统是主动容错控制方法的基础。本文针对不同的故障类型设计相应的故障检测与诊断系统(由基于最优分类面的故障诊断算法和基于扩展卡尔曼滤波算法的故障观测器组成)。基于最优分类面的故障诊断算法主要针对驱动电路板故障与电动机故障设计，提取自身状态量在线监测电动机与驱动电路板的工作状况；基于扩展卡尔曼滤波器的故障观测器主要针对旋翼故障而设计，实时估计各个执行单元的升力因子。该故障检测与诊断系统能够很好的完成故障分离与故障识别，实时监控飞行器状态，为飞行器的安全飞行提供有力保障。构建Hex-Rotor无人飞行器的控制系统。首先改进了执行单元的软硬

8、件及稳速控制算法，提高了执行单元的可靠性与控制效果。接下来，研究了Hex-Rot