小型无人机容错控制系统设计

小型无人机容错控制系统设计多旋翼小型无人机,越来越多的使用在工业级和消费级的领域, 随着世界各国对民用航空低空的开放,对低空航空器的限制日益严格, 对其安全性要求也日益提高。此类小型无人机安全性主要包括两个方 面:一方面是严格管理操作人员,提高其操作能力来保证无人机工作 时的安全性;另一方面是采用性能稳定的控制系统,对控制系统进行 容错设计和其他安全性设计来保证无人机系统的可靠性和安全性。本 文针对小型六旋翼无人机的控制系统进行了容错设计来提高其控制 系统的可靠性和安全性。主要包括传感器容错设计、控制器容错设计 和执行机构容错设计,对其容错的原理进行分析,将容错系统与非容 错系统的可靠性进行了对比,并采用消费级电子器件完成了容错控制 系统原理件设计。根据小型多旋翼无人机的特点,对传感器采用物理 余度方法进行容错设计,简化设计以利于工程实现。对控制器,通过选 择具有看门狗设计和电源监控设计的微控制器,结合软件功能实现故 障检测与隔离。对执行机构即旋翼驱动系统,采用基于模型的故障检 测方法进行故障检测,并结合多模式切换的控制律设计,实现执行机 构故障的容错控制。本文建立了六旋翼无人机的详细模型,并完成了 控制算法设计。以此为基础,重点针对旋翼控制的故障进行了故障模 式的分析,实现了模式切换控制律设计和仿真。设计结果表明,以现有 微机电技术和微控制器技术基础,对小型无人机控制系统进行容错设 计,在略微提高系统成本和重量的情况下,很大提高小型无人机系统 可靠性,而且工程实现可行性很高。