基于NUIO的無人機(jī)作動器故障檢測

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1、2015年7月第41卷第7期北京航空航天大學(xué)學(xué)報JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJuly2015V01．4lNo．7http：I}bhxb．buaa．edu．a(chǎn)n、buaa@buaa．edu．a(chǎn)nDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0522基于NUIO的無人機(jī)作動器故障檢測張鶴，鐘麥英+(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100191)摘要：針對受未知?dú)饬鞲蓴_與隨機(jī)噪聲影響的無人機(jī)縱向系統(tǒng)進(jìn)行作動器故障檢測研究．在建立固定翼式

2、無人機(jī)非線性系統(tǒng)縱向模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于容積卡爾曼濾波(CKF)的非線性未知輸入觀測器(NUIO)．通過構(gòu)造未知輸入觀測器結(jié)構(gòu)來解耦未知?dú)饬鞲蓴_對殘差的影響，同時，CKF被算法用于求解觀測器增益矩陣，實現(xiàn)了在未知?dú)饬鞲蓴_解耦情況下殘差對隨機(jī)噪聲的魯棒性．最后，利用殘差礦檢驗方法判斷故障是否發(fā)生．仿真結(jié)果表明：此方法能有效解耦未知干擾對殘差的影響，并快速、準(zhǔn)確地檢測出了無人機(jī)作動器故障．關(guān)鍵詞：無人機(jī)；故障檢測；容積卡爾曼濾波；非線性未知輸入觀測器；∥檢驗中圖分類號：V448；TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001．5965(2015

3、)07．1300-07無人機(jī)(UnmannedAerialVehicle，UAV)以其特有的優(yōu)點(diǎn)在軍事和民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用?．但在飛行過程中，作動器卡死、偏差等故障帶來的突發(fā)控制偏差，將不可避免地導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能下降，甚至?xí)斐蓹C(jī)毀人亡的嚴(yán)重事故．對作動器故障實現(xiàn)快速檢測是確保飛行安全的前提．針對無人機(jī)作動器的故障檢測技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛研究，并取得了大量的研究成果擔(dān)?．基于觀測器的故障檢測是重要的故障檢測方法之一，主要包括殘差產(chǎn)生與殘差評價兩個方面．無人機(jī)在飛行過程中將會受到各種未知干擾，如湍流、風(fēng)切變等大氣不穩(wěn)定因素的影響¨1．這

4、些干擾勢必造成故障檢測過程中產(chǎn)生的殘差信號出現(xiàn)偏差¨1，嚴(yán)重影響故障檢測系統(tǒng)的性能，導(dǎo)致誤報和漏報．因此，基于觀測器的殘差產(chǎn)生器的魯棒性問題成為了無人機(jī)作動器故障檢測研究的重點(diǎn)．其中，基于未知輸入觀測器(UnknownInputObserver，UIO)的故障檢測方法多年來一直是研究的熱點(diǎn)之一，并取得了大量的研究成果¨?．然而，這些方法大多是針對無人機(jī)小擾動線性化模型設(shè)計的．無人機(jī)系統(tǒng)具有非線性、多變量、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)p-，線性化過程引入的誤差勢必會對故障檢測結(jié)果造成影響．因此，研究無人機(jī)系統(tǒng)的非線性魯棒故障檢測方法具有重要的意義．近年來，針

5、對無人機(jī)系統(tǒng)的非線性魯棒故障檢測技術(shù)研究受到了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視．文獻(xiàn)[10]基于一組無跡卡爾曼濾波器對無人機(jī)作動器在線故障檢測問題進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[11]采用擴(kuò)展多模型自適應(yīng)估計方法對無人機(jī)作動器故障實現(xiàn)了快速準(zhǔn)確的故障診斷；文獻(xiàn)[12]設(shè)計了自適應(yīng)Thau觀測器對受模型不確定性以及噪聲影響的無人機(jī)非線性不確定系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測和估計．然而，針對非線性無人機(jī)系統(tǒng)的故障檢測問題，已有的研究成果大多僅考慮殘差對未知輸入的魯棒性設(shè)計，而采用非線性未知輸入觀測器(NonlinearUnknownInputObserver，NUIO)進(jìn)行未知輸入解

6、耦的故障檢測技術(shù)還研究的比較少．近年來，基于NUIO的故障檢測方法在非線收稿日期：2014-08-22；錄用15t期：2014-11-21；網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014—12-0915：34網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20141209．1534．004．html基金項目：國家自然科學(xué)基金(61333005，61174121，61121003)作者簡介：張鶴(1988一)，女，吉林長春人，碩士研究生，hezhang—buaa@126．coin．+通訊作者：鐘麥英(1965一)，女，山東博興人，

7、教授，myzhong@buaa．edu．cn，主要研究方向為故障診斷與容錯控制引用格式：張鶴，鐘麥英．基于NUIO的無人機(jī)作動器故障檢測口J．北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2015，41(7)：1300—1306．ZhangH，ZhongMY．NUIObasedactuatorfaultdetectionforaUAV【J]．JoumMofBeijingUniversityofAeronauticsandAstro-nautlcs，2015，41f7)：1300—1306(inChineseJ．第7期張鶴，等：基于NUIO的無人機(jī)作動器故障檢測13

8、01性系統(tǒng)故障診斷方面取得了一定進(jìn)展．該方法將系統(tǒng)中未知輸入進(jìn)一步分為未知干擾以及隨機(jī)噪聲，通過配置NUIO系數(shù)達(dá)到解耦干擾且降低噪聲影響的目的．文獻(xiàn)[13]通過構(gòu)造UIO結(jié)構(gòu)消