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目 录

1、 绪 论 1

1.1无人机的概念 1

1.2 无人机研究背景及意义 1

1.3国内外研究现状 2

1.4研究目标及内容概述 3

2、无人机的飞行原理及容错控制 4

2.1无人机飞行原理 4

2.2 无人机故障分类 6

2.2.1无人机卡死故障及失效故障 6

2.2.2无人机故障检测及重构 7

2.2.3无人机容错控制技术 8

3、六旋翼无人机的飞行模型建构 10

3.1六旋翼无人机无故障下飞行模型 10

3.2 六旋翼无人机飞行器出现故障 12

4、六旋翼无人机故障检测 14

4.1执行机构故障检测 14

5、六旋翼无人机执行机构故障重构 16

5.1针对卡死故障的自适应故障重构方法 16

5.2 针对失效故障的自适应故障重构方法 17

6、容错控制 20

6.1 六旋翼无人机滑模控制律设计 20

6.2 基于控制分配的容错飞行控制 22

7、 Matlab仿真 25

7.1故障检测及重构仿真验证 25

7.2容错控制仿真实验 28

8、总结及讨论 32

参考文献： 32

附录： 34

附录1 34

附录2 34

附录3 36

致谢 37

多旋翼无人机故障重构和容错控制研究

迪里米拉

，China

Abstract：At present, all countries in the world have intensified their research on drones. First of all, this paper gives a brief overview of the flying principle of UAV. Then, by classifying the faults, the mathematical models of stuck fault and failed fault are established. Then the system input and attitude information are used to realize fault detection and reconstruction. Finally, the fault tolerant flight of the six rotors is realized by the control allocation algorithm based on the layered modular design method. At the end of the paper, Simlik simulation is used to prove the feasibility of fault detection, reconstruction and fault-tolerant control.

Keywords :Multi-rotor UAV; Fault Reconstruction; Fault-tolerant Control; Adaptive

1、绪 论

1.1无人机的概念

无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)，即通过内部程序自主飞行或人工进行控制的飞行器^[1]。由于其容量小，价格低廉，机动性强，性能高等优点，无人机在各个领域都取得了巨大的发展。

多旋翼无人机(Multi-RotorAircraft，MRA)^[2] 的翼数大于等于四且正反转翼为对称布局，它的机翼是动力源，可机载各种通信模块、导航系统、避障系统、视觉识别系统和分析采样设备等。无人机是实现自主飞行或通过远程操控完成任务的无人航空飞行器。无人机种类繁多，多旋翼无人机作为无人机的一种，具有较强的机动灵活性，这与它每个旋翼上都具有较小的直径有关。而且它可以快速改变运动和悬停模式，即使在复杂的山区等环境下，也能顺利完成任务，这些出色的特点为它的未来带来无限的发展潜能。

无人机可近距离的巡查灾情、通讯中继等，并且在海域巡查等在信息化作战中担任着重要的角色；随着微电机系统的发展，无人机也逐渐推广至电力巡检、环境检测、传送货物、高空摄像等民用领域，为国民生活带来了极大的方便。但是不具备冗余能力的多旋无人机高空坠机从而造成人员伤亡和财产损失的报道也不少，所以只有保证无人机的安全性和可靠性的前提下，多旋翼无人机可以在更广阔的区域发展。为了避免这些事故，有必要开发一套高性能，安全性高，容错性强的无人机自主飞行控制系统。飞机对技能安全要求较高，复杂环境下运作时可能会威胁到群众安全，故国内外执法部门对此事都呼吁要提高无人机系统的机动性，并开展了很多以容错控制技术作为重点研究对象的研讨会，验证实验等。

1.2 无人机研究背景及意义

第一台无人机设计于1917年，也就是在一战期间，英国皇家飞行训练学校对世界上第一架无人机进行了试飞试验。自那以后，各国研究者发现了多旋翼无人机的发展前景，一直到今天，无人机技术已取得突飞猛进的发展。自2015年以来，无人机逐渐成为飞行平台，形成了符合行业标准的机载机器人系统，可应用于各种复杂环境。早在2001年，澳大利亚悉尼大学就已经意识到无人机的民用市场将会迎来全球性的发展，并在环境监测、喷洒农药、矿产勘查开发等领域已有少量应用实例， 并指出核心技术欠缺和高昂成本是其主要缺陷。近几年，无人机飞行控制技术已经趋于成熟，价格相对低廉的高性能商业无人机已经问世，无人机的民用市场得到了巨大发展。处于对国防安全的考虑，国内各界人士对无人机的开发都高度重视，相关行业的发展速度也有明显的提高。说到无人机我们最先想到的是其数量。在2010年的珠海航展上，中国展出的无人机数量超过了25架，这足以说明无人机在世界上的重要性。放眼观望，全世界无人机研究及交易的市场规模每年约为50-60亿美元，而有专家预测，未来10年内，这一数量将稳定增长，年均增长率约为10%。按照无人机工作原理分类，无人机分为固定翼无人机、旋翼以无人机及倾转旋翼无人机^[3]，如图1所示：

1. 固定旋翼无人机 （b）旋翼无人机 （c）倾转旋翼无人机

图1 各类无人机

由于载人飞行器需要大量的人力资源，而且可能会造成飞行师的伤亡，所以为了为了避免没不要的人员伤亡，许多国家进行了无人机技术研究并给予了强有力的支持。以下五点概括了无人机的过人之处：

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