基于观测器的无人机群故障诊断与容错控制方法研究

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1、中图分类号：TP273论文编号：102870318-SX216学科分类号：081105硕士学位论文基于观测器的无人机群故障诊断与容错控制方法研究研究生姓名施俊鹏学科、专业导航、制导与控制研究方向故障诊断指导教师刘剑慰副教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonfaultdiagnosisan

2、dfault-tolerantcontroltechnologyforUAVsbasedonobserverAThesisinNavigation,GuidanceandControlbyShiJunpengAdvisedbyProf.LiuJianweiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得

3、的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要自二十世纪九十年代以来，无人机技术可以说是日新月异，无论是在国防安全领域还是在民事领域，无人机都担任着日益重要的角色。然而

4、面对越加艰巨的任务和更为复杂的信息化环境，单架无人机已无法满足任务需求，美国军方对无人机自主控制等级的划分中也将全自主集群作为最高等级，无人机群的研究正成为世界各国研究的热点。随着无人机群中无人机数量的增多，故障发生的可能性与故障诊断的难度也就越大，随之引发事故的影响也越严重。因此，设计有效的无人机群故障诊断与容错控制方法是一个充满挑战的有意义的课题。本文基于观测器的方法研究了无人机群出现执行器故障情况下的故障诊断与容错控制技术，并在Quanser无人机实物验证平台上验证了方法的工程应用价值与其广泛的

5、适用性。首先，介绍了课题的研究背景与研究意义，并对无人机群故障诊断与容错控制研究现状作了概述。然后通过分析相邻长僚机之间的位置关系与无人机自身非线性模型，建立无人机群内外环模型，通过内外环模型的结合，证明了无人机群的稳定性。其次，针对内环无人机非线性模型，考虑存在干扰与执行器故障的情况，在满足合理假设的条件下，利用线性变换将原系统分离为两个子系统，并设计降维滑模观测器进行故障诊断，得到在线故障估计值后，采用补偿控制的方法进行容错控制。最后通过Lyapunov稳定性定理证明了降维滑模观测器的稳定性与可达

6、性，并通过仿真验证了方法的有效性。然后，为更贴合真实情况，在无人机群中引入相对输出估计误差。本文采用图论中的有向图对通信拓扑结构与误差传导过程进行描述，并设计单机非线性系统的滑模观测器，同时为了克服降维滑模观测器对故障的限制，加入自适应律来进一步改进观测器。由于相对输出误差存在，单一地考虑无人机群的稳定性效果较差，于是利用克罗内克积将单机问题转化为全局问题，从全局角度证明了自适应滑模观测器的稳定性与可达性。并通过MATLAB完成了对观测器参数的解算和仿真验证。最后，为了验证所设计方法的工程适用性，在Q

7、uanser无人机实物验证平台上进行了实验验证。基于课题组现有实验设备条件，本文采用了两个地面机器人Qbot2与一架空中飞行器Qball-X4组成地空联合编队进行实验验证，并考虑了飞行器单个执行器故障与两个执行器故障的情况，实验结果证明了所设计自适应滑模观测器故障估计性能良好，无人机群能在故障情况下保持编队稳定，且方法适用面较广。关键词：无人机群，故障估计，容错控制，自适应，滑模观测器，Quanser实物验证平台I基于观测器的无人机群故障诊断与容错控制方法研究AbstractSince1990s,UA

8、Vtechnologyischangingrapidly.Inthenationaldefensefieldandcivilfield,UAVisplayingamoreandmoreimportantrole.Facingthemorearduoustaskandthemorecomplexinformationenvironment,singleunmannedaerialvehicle(UAV)hasnotbeenabletomeetthetask