旋翼飞行机器人故障诊断及容错控制方法研究

无人直升机（Unmanned Helicopter）具有固定翼无人机所不具备的很多优势，它具有垂直起降、空中悬停、协调转弯、前飞、侧飞等多种飞行模态。这种独特的飞行性能决定了它的使用价值：在军用方面，无人直升机既能执行各种非杀伤性任务，又能执行各种软硬杀伤性任务，包括侦察、监视、目标截获、诱饵、攻击、通信中继等；在民用方面，无人直升机在航拍、大气监测、交通监控、资源勘探、电力巡检、森林防火、农业等方面具有广泛的应用前景。但是，直升机自身动力学所固有的高度复杂性和不确定性，导致难以对其实现高性能控制，目前视距范围内遥控仍然是其主要的行为方式，这极大地制约着无人直升机的实际应用。近五年来，将机器人学中的自主行为技术与无人直升机平台相结合，构造全自主型无人直升机系统，即所谓的旋翼飞行机器人（Rotary Wing Flying Robot, RWFR），被认为是一种可行的技术路线；同时，与之相关的自主控制方法也成为移动机器人领域的重要研究方向之一。 自主行为能力包括三个层面的内涵：一是自主、在线的环境理解能力，这里的环境不仅是机器人所处的外部环境，也包括其自身的动力学以及健康状态；二是以环境理解为基础的优化行为自主产生能力；三是控制自身本体实现期望行为的能力。对于旋翼飞行机器人而言，其自身健康状态的自主理解以及与之相关的控制行为产生是至关重要的环节，因为它决定着可靠性。旋翼飞行机器人具有多变量、非线性耦合、柔性结构等多种动力学特性[1]，在飞行过程中会遇到风、发动机振动等多种扰动，其机械部件和控制系统极易出现故障，如果故障不能被有效检测或在有限控制周期内没有被及时处理，旋翼飞行机器人就会因其静不稳定的特点而失去控制，导致机体严重损毁甚至地面人员伤亡。 本论文针对旋翼飞行机器人的自主健康诊断与管理能力开展深入研究，重点研究传感器、执行器、飞机本体故障解耦，各子系统故障的检测、辨识与容错控制，面向在线应用的算法实时性等核心问题，旨在建立具有结构简单、实时性好、针对典型故障可实时进行故障诊断及容错控制的方法体系。论文的具体内容如下： 第1章，对故障诊断及容错控制方法的研究现状进行综述，深入分析并归纳旋翼飞行机器人故障诊断与容错控制中存在的问题和发展方向，引出本文的研究内容和重点。同时，在简要介绍国内外各种旋翼飞行机器人实验平台的基础上，选择一种具有典型性的实验平台进行深入分析，总结了其特点和不足，为研制自己的实验平台系统奠定基础。 第2章，作为论文后续方法研究、仿真及实验验证的基础，首先介绍旋翼飞行机器人的动力学模型，接下来介绍本人参与研制的开放式仿真系统，并着重介绍以作者为主要负责人所设计、研发的40公斤起飞重量级旋翼飞行机器人开放式飞行实验平台—ServoHeli-40。 第3章，以阐述ServoHeli-40旋翼飞行机器人自主飞行控制结构及独立通道控制方法为基础，创新性地提出旋翼飞行机器人容错控制体系结构，并分析该结构中各模块任务及作用。针对传感器和执行器故障之间的耦合问题，提出基于贝叶斯推理的异类故障解耦方法，为独立研究传感器、执行器故障扫清障碍。 第4章，重点研究旋翼飞行机器人传感器故障诊断及容错控制。针对不同故障检测类型和阶段，提出了三种方法。首先针对突变类型的传感器故障采用基于db2的小波变换方法进行检测，对传感器数据进行时频域同时变换，实现实时准确分析；其次应用自适应神经网络方法对故障信号及正常飞行中飞行模态变化进行区分，提高了故障检测的可信性与可靠性；最后以多源传感器信息融合为基础，探索在部分传感器出现故障的情况下提供次优的传感器数据。 第5章，重点研究执行器软性故障的在线估计及控制策略在线重构问题。首先提出旋翼飞行机器人执行器定量软性故障的数学表达方法，深入研究两种自适应UKF方法在执行器软性故障在线估计方面的有效性和可行性；最后，提出一种基于故障参数在线估计的控制策略重构方法。 论文针对所提出的方法，以ServoHeli-40旋翼飞行机器人的实际拟合动力学模型为对象开展了仿真研究，部分内容在ServoHeli-40上进行了实际飞行实验验证。