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1、小型无人机容错飞行控制的设计与实现 1摘 要当前，世界各国都加强了对于无人机的研究，这主要在于无人机有效地摆脱了人承受能力的束缚，可以在一些特殊的环境中和不确定的对象下执行高危险的任务。本文的第一部分针对无人机的控制技术进行总结，进而对未来的控制技术进行展望，并对现在环境下的无人机控制技术的核心进行分析，特别是对国内控制层级发展进行深入探讨，最后根据目前的控制技术做出其需要完善的方向。本课题同时将李雅普诺夫稳定性理论应用在设计微型飞行器姿态的模型参考自适应控制系统中，保证系统在执行器出现故障情况下，仍然能够保持一定的稳定性。对微型飞行器执行机构等进行故障特征研究，根据连续监视信息，及早地发现故
2、障前兆以及早期的故障，在故障发生时，通过容错控制器的设计使系统快速恢复到平衡状态，稳定、可靠地跟踪期望姿态信号。中国论文网 http:/ 2AbstractAt present, all the countries in the world are to strengthen the research on UAV, which mainly lies in the UAV effectively get rid of the shackles people bear ability, can in some special environment and uncertain objects
3、perform high dangerous tasks. Are described in this paper UAV autonomous control technology development needs, and in-depth analysis of the small UAV autonomous control of key technologies, to further explore the UAV autonomous control levels of development. Finally, the small UAV autonomous control
4、 the direction of future research prospects.This topic at the same time, the Lyapunov stability theory is applied in the design of MAV attitude model reference adaptive control system, guarantee system under actuator failure, can still maintain a certain degree of stability. Fault characteristics of
5、 the miniature aircraft actuator, according to continuous monitoring information, early found and early failure to be a precursor to failure. When fault occurs, through the design of fault-tolerant controller makes the system quickly restored to a state of equilibrium, stable and reliable tracking e
6、xpected attitude signals.Key words: Small UAV, autonomous flight control technology, autonomous control, MATLAB 小型无人机容错飞行控制的设计与实现 3第一章 绪 论本次毕业设计课题是小型无人机容错飞行控制。研究任务是设计具有冗余能力的容错控制系统，即当飞行控制系统某些部件发生故障时，飞行器仍能够迅速调节恢复到可控状态，继续稳定飞行，提高飞行控制系统的稳定性，安全性。最后通过 Matlab建模对算法进行可行性验证。1.1 无人机的概念从字面上理解无人机，可以将其视为无人在飞机上直接操控
7、飞机的机器，这种飞行棋区别于传统的有人驾驶的飞机，其操控地点不再局限在飞机驾驶舱，而是可以在地面对其遥控或者飞行器自动根据逻辑选择飞行方式和路线。一般而言，目前的无人机包括五个主要系统，分别是着陆系统、导航系统、遥测系统、控制系统以及驾驶仪，这五个控制部分通过相互之间的信息传递，控制飞机的飞行。从无人机的控制构成看，可以分为三个方面：一是无人机机器，二是地面控制源，三是有效负荷。微型飞行器（Micro Air Vehicle，MAV）概念提出于 20 世纪 90 年代，根据DARPA 最初提出的数据定义微型飞行器为：特征尺寸不大于 15cm；时速为 3060km/h；重量为 50100g；可携
8、带 20g 的有效载荷；飞行 2060min；可实时传输图像；能自主控制飞行。按飞行机理的不同，可分为微型固定翼飞行器、微型旋翼飞行器、微型扑翼飞行器三种类型。鉴于其体积小、重量轻、隐蔽性好、灵活性强等特点，微型飞行器本身在运用前景方面也有许多特殊用途，如军事侦察、环境监测、核生物化学取样，森林防火，空中航拍，资源调查等。正是由于 MAV 在现代军事和民用方面应用的巨大优势，目前微型飞行器系统技术正越来越受到各国的重视，但目前微型飞行器的研究仍面临以下难题1：低雷诺数下的空气动力学特性难题、动力和能源问题、飞行稳定性和抗干扰能力、轻质高强材料和结构、微型化控制导航系统和任务设备。1.2 无人机
9、典型特征 总结之前的战争可以发现，飞行器的飞行师培养费用消耗极大，而战争很容易造成人员的伤亡，为了适应未来战争形式，一些国家开展了无人机的研制并得到大力支持。相对传统的飞机，无人机的优势较为突出，分列如下：首先，大幅降低机身尺寸和自重。从目前的无人机发展态势看，诸多无人机中将近 70%的总重小于 0.2 吨，而 0.5 吨之内的无人机比例为 77.5%，超过 2 吨的无人机比小型无人机容错飞行控制的设计与实现 4例为十分之一，超过 10 吨的无人机比例为零。反观传统的飞机，整机重量没有低于 10吨的，部分机型甚至重量大于 60 吨。由此可见无人机的重量控制做的极其优秀。尺寸方面无人机一般控制在
10、十米之内，大部分的机型控制在五米以内，而传统的飞机的尺寸一般超过十二米。其次，无人机的研发、使用费用大幅减低。目前的无人机的价格区间为 60 万人民币至 700 万人民币。约四分之一的机型的价格在 70 万人民币以下，大部分机型的价格分布在 60 万人民币至 260 万人民币之间，且随着无人机的普及，越来越多的机型价格下探到 6 万人民币以内。反观传统的飞机，军用飞机的价格一般不低于千万元人民币，部分尖端机型甚至超过亿元人民币。在使用方面，无人机的燃油、保养等方面的成本控制同样具有极大经济优势。第三，机动性大幅提升。由于无人机不再载人，其机动性不再需要考虑人的生理特性，比如部分时刻的加速度值可
11、以超过 4 倍重力加速度。目前无人机的最大的加速度值已经为重力加速度的十二倍，大大超出了传统飞机的机动性能。第四，无人机具有更优秀的隐形性能。目前的战斗机朝着隐形化发展，但是受限于驾驶舱、人员生理需求等因素始终无法突破瓶颈，无人机无需考虑这两个最大的障碍，因此可以在反射特征等方面做得极其出色，大幅提升了飞机的隐蔽性。第五，无人机的适应能力较好。区别于传统飞机笨重、机动性差的特点，无人机能够便捷地运用在舰艇、地面等地形下。一般而言，传统飞机的滑跑均需一千米以上的距离，而无人机由于超强的机动性可以将这一距离降低至 30%，大大增加了其适应性。无人机的回收也可通过拦截网、降落伞等方式进行，安全而又迅
12、速。第六，无人机的安全性好。传统飞机虽然在飞行技术的提升下安全系数较高，但依旧存在机毁人亡的事故现象。无人机则无须担心这一点，无论是环境的优劣，无人机均可长期安全的使用。1.3 无人机的未来发展预测综合看来，相对传统飞机无人机的主要优势体现在经济性、安全性以及综合机动性能等方面，这些优势是无人机受到各国重视的最直接原因。我国在无人机界最典型的几款机型来自航天科工集团，是无人机耀眼的明星。下面对两款做简单介绍：SH-1 型无人机是一种多功能的机种，其具有良好的气动特性保证了飞行的机动性，良好的隐身性能能够躲避敌方雷达的监测，强大的装载运输能力能够满足武器的携带小型无人机容错飞行控制的设计与实现
13、5需求。SH-1 型无人机的适用范围包括空中侦察、空中定点打击等也可用在灾情检测、气象监测等方面。相对 SH-1 型无人机，SH-3 型无人机具有更轻的起飞重量，且行进速度较低，由于采用了耗油量低的发动机，其飞行时间大幅增加。此种机型的优势体现在造价低廉、飞行时间长，适用于巡逻、侦查以及航拍等方面。在最近的几场局部战争中，无人机以其出色的表现受到各国重视。虽然无人机的发展历程并不长，但就目前的技术水平及未来发展趋势看，无人机极有可能取代传统的飞机。针对其发展趋势，笔者从无人机的民用和军用两方面进行预测：应用之一为侦察型无人机的快速研制和应用。以海湾战争为起点，无人机从首次出现便惊艳四座，成为各
14、国的研制热点。法国、英国等国家为了取得情报优势大力推进无人机项目，以替代传统的空中侦察力量。相对之前的侦查方式，无人机具有明显的隐形、机动性能优势。目前的军用无人机发展的较好的几个国家，都有典型的机种，比如意大利的“奎宿九星” 、英国的“凤凰” 、美国的“捕食者” 、等。这些无人机又以美国的技术为最强，“捕食者”的载重极限可达两百余公斤，起飞重量最大接近一吨，飞行续航长达四天，并装配光电探测器、惯导系统等，其侦查的地面信息直接以图像的形式经由卫星传输给地面，是实现战场长时间、无缝侦查、监视的利器。除了以上类型的无人机机种之外，还有直升机类型的无人机。这种无人机的意义在于实现驻机侦查。这种无人机
15、一般具有良好的低空飞行能力以及续航能力，这是以上固定翼式无人机所不具备的。美国的直升机类型的无人机目前已经发展到第二代，其旋翼顶设置有侦察球，侦查球的光学设计借鉴了潜望镜的原理，并集成了红外仪、激光测仪等先进探测设备，进一步在保证隐蔽性的基础上提升了侦察能力。应用之二为电子战类型的无人机。作为续航时间长、机动性强的飞行设备，无人机可以携带电子战武器快速支援战场，实现“手术刀”式战场切除功能，并且其优良的尺寸能够保证其通透性，能够适应复杂恶劣的地理环境，实现电子干扰的顺利完成目的。未来的电子战用途的无人机具体可以分为三种，下面具体进行介绍：首先，是反辐射用途的无人机。这种机型的代表为德国制造的“
16、达尔”号以及南非设计的“云雀”无人机。这些机型利用自身的快速机动的特点活跃在战场上为己方的电子平台提供防护屏障。其次是饵机用途的无人机。无人机作为诱饵使用具有两大目的，一是情报诱饵作用，通过无人机的诱导，诱使地方雷达开机， ，从而获取对方的雷达信息，便于自小型无人机容错飞行控制的设计与实现 6身的调整和应对；二是用作诱饵耗费地方防空资源。无人机的引诱作用下，地方将主要防空力量用于应对无人机上，从而间接保护了己方战斗力量。美国的“鹌鹑”无人机即为此类机种的典型代表，B52 由于作战半径优势，其飞行速度并不快，但自身携带有三架无人机做诱饵，且无人机具有强大的雷达干扰能力，大幅提升了轰炸机自身的突防能力。最后一种用途是干扰机。强大的机动性能够使无人机飞抵地方上空进行信号干扰和航空压制，也能实现窃听功能。预警机作为电子战的主力战机，其无人机化也是典型的发展方向并受到各国关注。
