容错飞行控制与导航系统 小型无人机实用方法PDF电子书下载

第1章 引言 1

1.1 无人机容错控制的必要性 1

1.2 本书结构 2

第2章 回顾（基本概念） 3

2.1 容错系统定义 3

2.1.1 故障 3

2.1.2 失效 5

2.1.3 容错控制系统 5

2.1.4 应用中故障和失效的应对 6

2.2 重构控制系统设计面临的挑战 6

2.2.1 可靠的FDI系统设计困难 6

2.2.2 飞行控制器与FDI系统之间的相互作用 7

2.2.3 其它应用挑战 7

2.3 FDI系统的不同实现手段 7

2.3.1 FDI系统滤波器设计发展趋势 8

2.3.2 主动故障检测发展趋势 9

2.4 飞行控制系统的不同实现方法 10

2.5 容错飞行控制系统设计技术 10

2.5.1 多模型技术 11

2.5.2 控制分配技术 12

2.5.3 模型参考自适应控制 13

2.5.4 其它重构控制方法 14

2.6 可重构导航系统 15

2.7 实际飞行验证 15

参考文献 16

第3章 飞机非线性模型 29

3.1 坐标系的定义 29

3.1.1 导航坐标系（参考坐标系） 29

3.1.2 机体坐标系 29

3.1.3 欧拉角 29

3.1.4 方向余弦矩阵 31

3.1.5 四元数表示 32

3.1.6 气流坐标系 32

3.2 风扰动 34

3.3 低空大气模型 35

3.4 刚体运动方程 35

3.4.1 作用力方程 35

3.4.2 力矩方程 38

3.5 发动机 38

3.5.1 发动机转速 38

3.5.2 推力 39

3.6 空气动力模型 39

3.6.1 升力 39

3.6.2 侧向力 39

3.6.3 阻力 39

3.7 气动力矩模型 40

3.7.1 滚转力矩Lb 40

3.7.2 俯仰力矩Mb 41

3.7.3 偏航力矩Nb 41

3.8 飞机非线性模型总结 41

参考文献 42

第4章 非线性故障检测与隔离系统 43

4.1 引言 43

4.2 采用MMAE方法的FDI 44

4.2.1 MMAE方法的优点 44

4.2.2 MMAE方法的局限性 45

4.2.3 MMAE方法的新扩展——EMMAE方法 45

4.3 基于EMMAE方法的一种新FDI策略 46

4.3.1 作动器故障建模 46

4.3.2 EMMAE方法 46

4.4 飞机作动器结构和非线性动力学特性 49

4.4.1 飞机结构 49

4.4.2 飞机非线性动力学特性 50

4.5 扩展卡尔曼滤波器设计 51

4.5.1 扩展卡尔曼滤波器方程 51

4.5.2 无故障情形扩展卡尔曼滤波器设计 55

4.5.3 利用故障作动器参数？i增广状态向量 56

4.5.4 副翼1故障下的扩展卡尔曼滤波器设计 57

4.6 作动器故障隔离 59

4.6.1 假设检验 59

4.6.2 高斯条件概率密度 61

4.7 无监督系统的EMMAE-FDI仿真结果 63

4.7.1 仿真条件 63

4.7.2 故障情形 64

4.7.3 仿真结果分析 65

4.7.4 首次应用EMMAE-FDI系统说明 66

4.8 EMMAE-FDI系统改进 67

4.8.1 主动监督模块（监督器）设计 67

4.8.2 带有监督系统的EMMAE-FDI性能 69

4.9 一个真实的飞行过程 71

4.9.1 无风、作动器无故障情况 72

4.9.2 有风、作动器无故障情况 75

4.9.3 强风、作动器故障并有主动监督模块情况 77

4.10 EMMAE-FDI系统增加额外滤波环节 77

4.11 同时多故障的检测与隔离 80

4.12 利用EMMAE-FDI的可重构飞行控制系统 82

4.12.1 控制分配 82

4.12.2 有监督模块控制分配器的优点 82

4.13 EMMAE-FDI的计算复杂性 83

4.14 结论 83

参考文献 84

第5章 控制分配 87

5.1 控制分配简介 87

5.2 可重构飞行控制系统 88

5.3 副翼和升降舵行为模式 92

5.3.1 理想模式：模式0 92

5.3.2 单作动器故障模式：模式1到模式4 95

5.4 多故障 97

5.4.1 同时两个故障：模式5 97

5.4.2 同时故障多于两个：模式6和模式7 97

5.5 方法扩展 97

5.6 计算量分析 97

5.7 仿真结果 98

5.7.1 控制分配器对控制器的影响 100

5.7.2 控制分配计算量比较 101

5.8 结论 102

参考文献 103

第6章 非线性控制设计 104

6.1 动态逆的概念 104

6.1.1 动态逆控制器推导 104

6.1.2 一般情形 105

6.1.3 可产生期望动态输出扎？des（t）的信号表达式 105

6.2 理想的或完美的动态逆 106

6.3 期望动态特性的控制器结构 107

6.3.1 PI控制器的选择 107

6.3.2 控制信号yc的前反馈 109

6.3.3 开环增益 110

6.3.4 控制前反馈增益fc的设计规则 111

6.3.5 控制信号？c的前向反馈 113

6.3.6 参考模型和显式模型跟踪 113

6.3.7 积分器防饱和 114

参考文献 115

第7章 纵向运动的自动驾驶 117

7.1 纵向运动模式分析方程 117

7.1.1 俯仰速率微分方程 118

7.1.2 空速微分方程 118

7.1.3 攻角微分方程 119

7.1.4 俯仰角微分方程 119

7.1.5 纵向模式矩阵 119

7.2 飞机系统纵向动态模式 120

7.2.1 短周期模式 120

7.2.2 长周期模式 120

7.3 线性纵向模型验证 121

7.3.1 升降舵控制命令扰动 121

7.3.2 发动机转速nmot的扰动 121

7.4 不确定动态逆的稳定性分析 124

7.4.1 不确定模型参数和测量数据 125

7.4.2 不确定动态逆的线性建模 125

7.4.3 纵向运动的模型简化 126

7.4.4 俯仰轴线性模型和动态逆过程 127

7.4.5 矩阵ADI中不确定项的估计 131

7.4.6 不确定性对动态逆的影响 133

7.4.7 不确定模型参数的数学选择 134

7.5 纵向运动通用控制结构 139

7.5.1 非线性变换T3 140

7.5.2 非线性变换T2 140

7.5.3 非线性变换T1 140

7.6 俯仰角速率控制 140

7.6.1 稳定性／鲁棒性要求 141

7.6.2 俯仰角速率闭环传递函数 145

7.7 攻角控制回路 147

7.7.1 开环和闭环增益 148

7.7.2 结果说明 148

7.8 爬升率控制器 153

7.8.1 开环增益 155

7.8.2 闭环增益 156

7.9 高度控制器 157

7.9.1 开环增益 158

7.9.2 闭环增益 159

7.9.3 高度控制器性能 160

7.10 空速控制器 161

7.10.1 本节内容 161

7.10.2 目的 161

7.10.3 发动机转速 163

7.10.4 推力 163

7.10.5 非线性变换 163

7.10.6 空速期望动态特性控制器 165

7.10.7 仿真结果 165

参考文献 166

第8章 侧向运动的自动驾驶 169

8.1 侧向运动方程分析 169

8.1.1 滚转角速率ρ的微分方程 170

8.1.2 偏航角速率γ的微分方程 170

8.1.3 侧滑角β的微分方程 171

8.1.4 滚转角φ的微分方程 171

8.1.5 侧向模型矩阵 171

8.2 侧向运动的动态模式 172

8.2.1 “荷兰”滚转模式 173

8.2.2 滚转沉降模式 173

8.2.3 螺旋模式 173

8.3 线性侧向模型验证 173

8.3.1 副翼控制扰动 173

8.3.2 方向舵控制扰动 174

8.3.3 不同工作点的线性化 175

8.4 不确定动态逆的稳定性分析 176

8.4.1 模型参数和测量数据的不确定性 176

8.4.2 不确定动态逆建模 177

8.4.3 侧向运动的线性表示 178

8.4.4 侧向模型中矩阵ADI、BDI和CDI的定义 178

8.4.5 从？des到Pmeas通道的稳定性 180

8.4.6 从？des到rmeas通道的稳定性 183

8.5 滚转和偏航角速率控制器 184

8.5.1 控制器结构 186

8.5.2 滚转和偏航角速率控制器开环分析 186

8.5.3 频域稳定性和鲁棒性能界 187

8.6 协同转弯控制器 189

8.6.1 侧滑角控制器 189

8.6.2 倾斜角期望的动态特性 189

8.6.3 侧滑角期望的动态特性 190

8.6.4 仿真结果 190

参考文献 192

第9章 可重构导航系统 193

9.1 引言 193

9.2 侧向导航系统 194

9.2.1 航路跟踪侧向导航控制律 194

9.2.2 侧向导航控制律的特点 196

9.2.3 方法的不足点 196

9.2.4 L1的选择 196

9.2.5 航路规划的目的 197

9.3 固定航路点跟踪 197

9.3.1 参考点P的计算 197

9.3.2 线段切换逻辑 198

9.3.3 滚转角控制信号φcom的计算 200

9.4 高度导航率 201

9.5 禁飞区和飞行障碍 202

9.5.1 NFZ定义 202

9.5.2 选择一个合适的前视探测距离RLA 203

9.6 NFZ的探测 204

9.7 NFZ规避算法 208

9.7.1 在线选择一个规避航路模板 208

9.7.2 进入圆形模板航路 209

9.7.3 选择规避侧边 209

9.7.4 模板航路产生 209

9.7.5 离开圆形航路模板 212

9.7.6 导航算法的性能 212

9.8 仿真 214

9.8.1 仿真条件 214

9.8.2 仿真结果 214

9.9 结论 216

参考文献 217

第10章 无人机性能下降评估 219

10.1 引言 219

10.2 FDI系统 220

10.2.1 带有控制舵面偏转量传感器的FDI 220

10.2.2 没有检测控制舵面偏转量传感器的FDI 220

10.3 转弯性能下降评估 220

10.3.1 左／右转弯时最大倾斜角的确定 221

10.3.2 右／左转弯时最小转弯半径的确定 223

10.3.3 最大滚转角速率的确定 223

10.3.4 达到最大滚转角φmax所需最大时间Troll的确定 224

10.4 导航系统的接口 224

10.5 稳定性分析 225

10.6 仿真结果 225

10.6.1 无故障情形 225

10.6.2 有故障但没有重构 225

10.6.3 有故障但可重构 227

10.7 俯仰和偏航性能的下降 227

10.7.1 俯仰轴 227

10.7.2 偏航轴 228

10.8 结论 228

参考文献 229

第11章 结论和展望 230

11.1 未来工作 230

11.1.1 FDI系统 230

11.1.2 可重构导航系统 230

11.2 无人机容错控制系统的未来 231

11.3 一般结论 231

附录A 有关VT，α，β的微分方程 233

附录B 离散化线性状态空间模型 236

B.1 连续模型 236

B.2 离散模型 237

B.2.1 离散噪声过程协方差矩阵Qk的推导 239

B.2.2 卡尔曼滤波器转移矩阵 239

附录C 纵向控制器应用的非线性变换 240

C.1 高度二次微分？和飞机法线加速度αn之间的非线性变换T1 240

C.2 攻角α和飞机法线加速度an之间的非线性变换T2 241

C.3 攻角变化率？和俯仰角速率q之间的非线性变换T3 242

附录D 应用于侧向控制器的非线性变换 244

D.1 侧滑角的动态特性 244

D.2 滚转角控制信号和协同转弯控制方程 245

D.3 余弦定律 246

附录E 30m/s速度下线性化的飞机模型 247

E.1 纵向线性模型 247

E.2 侧向线性模型 248

附录F 字母含义 249