固定翼無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)容錯(cuò)控制技術(shù)研究.pdf

1、無人機(jī)是一種由無線電遙控或由自身程序控制裝置操縱的，執(zhí)行特定任務(wù)的非載人飛行器，它大體上可分為旋翼和固定翼兩種。固定翼無人機(jī)由于具有升阻比大、成本低、機(jī)動(dòng)性好、隱蔽性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、無人員傷亡和適應(yīng)性好等特點(diǎn)，軍用和民用兩大領(lǐng)域都十分關(guān)注它的研究，本文也是以它為研究對(duì)象。無人機(jī)編隊(duì)控制飛行是美國國防部對(duì)未來二十年無人機(jī)飛控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的最重要的一項(xiàng)要求。編隊(duì)控制飛行過程中常常會(huì)遇到無線通信間斷、干擾等故障，這不但不能保持預(yù)先設(shè)定的隊(duì)形

2、，還會(huì)危及整個(gè)機(jī)群的安全。所以，無論對(duì)于單架無人機(jī)還是對(duì)于多架無人機(jī)組成的機(jī)群而言，在其飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，必須考慮對(duì)干擾的抑制作用和對(duì)故障的調(diào)節(jié)應(yīng)用，以提高無人機(jī)（或機(jī)群）的安全性、可靠性及可維護(hù)性。
　　自從1971年，“完整性控制”的概念首次被美國Niederlinski教授提出以來，容錯(cuò)控制便成為航空領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一,經(jīng)過國內(nèi)外眾多學(xué)者的持續(xù)研究表明，容錯(cuò)控制可以有效地提高飛行控制系統(tǒng)可靠性。它之所以受到各國的重視

3、和大力研究主要在于，它僅利用無人機(jī)操縱面自身的功能冗余,不需要增加任何硬件就可提高控制系統(tǒng)的可靠性，大大降低了飛行器設(shè)計(jì)維護(hù)成本。故障檢測能及時(shí)對(duì)故障發(fā)生的原因和部位進(jìn)行判斷,并預(yù)測潛在故障發(fā)生的可能性,進(jìn)而為及時(shí)預(yù)警和飛控律重構(gòu)以及自主故障診斷提供相關(guān)信息和依據(jù)，是容錯(cuò)飛控系統(tǒng)的核心技術(shù)之一；容錯(cuò)控制的另一項(xiàng)核心技術(shù)是飛行控制律重構(gòu),它是通過實(shí)時(shí)調(diào)整控制律,在無人機(jī)出現(xiàn)較大故障時(shí),重新構(gòu)造出可以正常使用的控制律,以此保障飛行器安全和任

4、務(wù)執(zhí)行。
　　目前美、以、法、英等航空強(qiáng)國大力發(fā)展無人機(jī)飛控系統(tǒng)容錯(cuò)控制技術(shù),取得了大量令人矚目的研究成果，工程化驗(yàn)證試驗(yàn)開始針對(duì)部分關(guān)鍵技術(shù)逐步展開。而我國在這方面的研究則剛剛起步，正在展開無人機(jī)飛控系統(tǒng)關(guān)鍵基礎(chǔ)問題的深入研究，也有了一定的研究成果。本文研究主要是在前人已有的研究成果之上，進(jìn)一步發(fā)展固定翼無人機(jī)飛控系統(tǒng)適用的容錯(cuò)控制理論，針對(duì)飛控系統(tǒng)發(fā)生執(zhí)行器故障、傳感器故障以及通信傳輸故障情況下的控制策略和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了深入分析和

5、論證，主要研究內(nèi)容可列出下面五部分：
　　第一,全面分析了固定翼無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)執(zhí)行器的組成原理及相關(guān)特性，總結(jié)了飛控系統(tǒng)各種常見類型的執(zhí)行器故障，即效率損失、浮松、飽和和卡死故障，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在無人機(jī)飛控系統(tǒng)的執(zhí)行器故障模型基礎(chǔ)上，闡述了單故障和多故障兩種情況下的系統(tǒng)特性；總結(jié)了飛控系統(tǒng)常見的傳感器故障，即卡死、偏差、增益變化和漂移故障，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)故障模型，為研究后面的容錯(cuò)控制算法設(shè)計(jì)提供模型基礎(chǔ)。
　

6、　第二：針對(duì)固定翼無人機(jī)的復(fù)雜非線性飛行控制系統(tǒng)，考慮系統(tǒng)參數(shù)不確定性和外部未知擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)模型的影響，提出了一個(gè)非線性故障觀測器用于監(jiān)測出現(xiàn)故障的時(shí)刻，然后采用動(dòng)態(tài)面自適應(yīng)控制技術(shù)，對(duì)飛控系統(tǒng)執(zhí)行器發(fā)生增益部分損失故障的情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)新穎的故障估計(jì)器和依賴于FDI的容錯(cuò)控制器，故障后飛控系統(tǒng)跟蹤誤差的最終一致有界性由Lyapunov穩(wěn)定性理論證明得出。最后實(shí)例仿真驗(yàn)證了所提出的動(dòng)態(tài)面容錯(cuò)控制算法在執(zhí)行器出現(xiàn)增益損傷情況下具有較好的容錯(cuò)

7、能力。
　　第三,針對(duì)含有執(zhí)行器故障的固定翼無人機(jī)非線性飛控系統(tǒng)模型，提出一個(gè)用于檢測故障的出現(xiàn)時(shí)刻和估計(jì)故障幅值的非線性故障診斷方案，然后根據(jù)故障診斷單元獲得的故障估計(jì)值，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于自適應(yīng)動(dòng)態(tài)面控制技術(shù)的容錯(cuò)控制器，進(jìn)一步地，通過引入瞬態(tài)性能指標(biāo)界保證故障無人機(jī)飛控系統(tǒng)的瞬態(tài)性能，應(yīng)用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論分析了閉環(huán)飛控系統(tǒng)的最終一致有界性。最后實(shí)例仿真結(jié)果表明無人機(jī)飛控系統(tǒng)在執(zhí)行器出現(xiàn)恒偏差故障情況下，輸出跟蹤誤差收斂于零的

8、一個(gè)小鄰域內(nèi)，并始終在設(shè)定的瞬態(tài)性能指標(biāo)界內(nèi)。
　　第四,針對(duì)固定翼無人機(jī)編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)，建立發(fā)生無線通信故障時(shí)的編隊(duì)控制系統(tǒng)模型，并充分考慮外部擾動(dòng)因素對(duì)被控系統(tǒng)的影響，通過采用自適應(yīng)滑?？刂品椒?，提出了一種新穎的在線故障估計(jì)和依賴于FDI的容錯(cuò)控制補(bǔ)償策略，用Lyapunov函數(shù)證明了該編隊(duì)飛控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤誤差的穩(wěn)定性。最后通過多無人機(jī)仿真實(shí)例，證明了該容錯(cuò)控制算法在無線通信鏈路出現(xiàn)連續(xù)型時(shí)變故障情況下仍能夠有效保持無人機(jī)編