濱州學院電氣工程學院 賈榮叢 張 冉

0 引言

隨著航空飛行科技的日益壯大，各式各樣飛行器出現(xiàn)在人們的視野中，并且也變得越來越先進，系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜多樣，功能巨大且種類繁多，分系統(tǒng)、子系統(tǒng)反復(fù)交織，彼此耦合，尤其是一些成本很高并且執(zhí)行特殊任務(wù)的航空航天器，其中大多數(shù)是有唯一性的，所以對各部分以及各子部分的穩(wěn)定性要求更為苛刻，理論上不容許飛行器系統(tǒng)在運行期間呈現(xiàn)任何異常狀態(tài)。恰好是因為飛行器的高穩(wěn)定性需求，使得對飛行器的故障進行診斷成為一個十分重要的研究課題。無論是在國內(nèi)還是在國外，對于飛行器的故障診斷與控制的研究都是一項十分熱門的話題。飛行器在運行使用中的可靠性和安全性，將直接決定了其完成任務(wù)是否高效率，以及能否帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

1 飛行器硬件設(shè)計

一個完整的四旋翼飛行器主要包括了以下幾個部分：電源部分、數(shù)據(jù)收集部分、四旋翼實驗平臺和實時控制軟件。四旋翼飛行器使用四個電動機作為飛行的動力，電動機對稱安裝在飛行器的前、后、左、右四個位置，每個電動機上都安裝了一個旋翼，旋翼處于相同的高度的平面上，且四個旋翼的構(gòu)造和半徑都一樣，旋翼1和旋翼3逆時針轉(zhuǎn)動，旋翼2和旋翼4順時針轉(zhuǎn)動。四旋翼飛行器根據(jù)調(diào)整四個電動機的輸出電壓來改變旋翼轉(zhuǎn)動速度進而改變飛行器上升的力，控制飛行器的飛行狀況。因為飛行器是根據(jù)調(diào)整旋翼轉(zhuǎn)動速度改變升力的大小，這么做會導(dǎo)致其飛行力波動很大，因此要有一個可以長久保持穩(wěn)定的控制方式。四旋翼飛行器只有四種飛行狀態(tài)的輸入，卻有六種飛行狀態(tài)的輸出。四旋翼飛行器的構(gòu)造如圖1所示，電機1和電機3逆時針轉(zhuǎn)動的同時，電機2和電機4順時針轉(zhuǎn)動，所以當飛行器處于平衡狀態(tài)時，不存在陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)。

圖1 四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 四旋翼飛行器垂直運動示意圖

2 四旋翼飛行器的飛行原理

四旋翼飛行器本身擁有兩組互相對稱的旋翼，四旋翼飛行器根據(jù)調(diào)整四個電動機的電壓來改變其轉(zhuǎn)動速度，圖2中，電機1和電機3進行逆時針轉(zhuǎn)動，電機2和電機4進行順時針轉(zhuǎn)動。規(guī)定沿x軸正方向稱為飛行器飛行的正方向，箭頭在旋翼的轉(zhuǎn)動平面的上面代表此電動機轉(zhuǎn)動速度增大，在下面代表此電動機轉(zhuǎn)動速度減小。

3 四旋翼飛行器的故障診斷

四旋翼飛行器的故障診斷方法如圖3所示：

圖3 四旋翼飛行器的故障診斷方法

圖4 四旋翼飛行器故障診斷流程圖

4 四旋翼飛行器的定性模型

四旋翼飛行器是一種變量較多、耦合性高、不是線性系統(tǒng)的飛行機器，而且飛行器自身還有著質(zhì)量、慣量等不能完全確定的的因素。針對這樣的并不簡單的系統(tǒng)，將飛行器的控制部分分解成內(nèi)環(huán)和外環(huán)并且分開對兩部分進行研究，外環(huán)由水平控制部分和高度控制部分構(gòu)成，內(nèi)環(huán)則由飛行狀態(tài)控制模塊構(gòu)成?？刂屏鞒虉D如圖4所示。

5 結(jié)論

四旋翼飛行器的異常狀態(tài)取得的數(shù)據(jù)都是連續(xù)不斷的，進行整理后分析一系列趨向點，把趨向點與獲得的定性示意圖繪于整理成一個圖。利用每一個數(shù)據(jù)的定性示意圖與提取的趨向點作比較，不難發(fā)現(xiàn)，由定性仿真的方式分析的參數(shù)的變換與利用仿真獲得的圖像大致相同，vx、vy、vz與sx、sy、sz在每一個定性點和定性點之間的變換也較正確地反映了真正的四旋翼飛行器飛行運動的變換，定性仿真分析出的數(shù)據(jù)與定量仿真曲線整合的特性點大致相同。在定性仿真的計算中添加了模糊值后，可以更加精確的描繪狀態(tài)，從而能夠提高故障的識別率。

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