[發明專利]一種無人機編隊系統的分布式速度傳感器故障診斷方法

有效

• 申請號: 201611165665.3
• 申請日: 2016-12-16
• 公開（公告）號: CN106526239B
• 公開（公告）日: 2019-05-03
• 發明（設計）人: 周東華;秦利國;何瀟;盧曉
• 申請（專利權）人: 山東科技大學
• 主分類號: G01P21/02
• 分類號: G01P21/02
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 肖峰

1.一種無人機編隊系統的分布式速度傳感器故障診斷方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：計算無人機編隊的通訊拓撲參數，針對由N個無人機組成的編隊系統，為編隊系統的通訊拓撲，其中為通訊拓撲節點，每個通訊拓撲節點代表一個無人機，為通訊拓撲的邊，每條邊代表了一對無人機之間的通訊，令矩陣A_g＝[a_ij]為通訊拓撲的鄰接矩陣，如果(i,j)∈ε，即節點i和節點j之間有通訊，則a_ij＝1，否則a_ij＝0；令矩陣D_g＝[d_ij]為通訊拓撲的度矩陣，度矩陣的非對角線元素為零，對角線元素取值為令矩陣L_g為通訊拓撲的拉普拉斯矩陣，則L_g＝D_g-A_g，令λ₁＜λ₂≤...≤λ_N為L_g的從小到大的N個特征值；

步驟2：設計分布式控制律，第i個無人機在空間坐標系x軸方向上的運動學模型如下：

其中i＝{1,2,...,N}，p_i∈R為第i個無人機的位移，v_i∈R為第i個無人機的速度，u_i∈R為第i個無人機的控制律，為第i個無人機的位移傳感器測量值，為第i個無人機的速度傳感器測量值，f_i∈R為第i個無人機的速度傳感器故障；

第i個節點的跟蹤軌跡為r_i(t)∈R，第i個無人機的分布式控制律如下：

其中w_i∈R為第i個節點的積分變量；分別為第i個節點的跟蹤軌跡的一階導數和二階導數；為第i個節點鄰居節點的集合，r_j為第j個節點的跟蹤軌跡，其中，k₁＞0，k₂＞0，k₃＞0，k₄＞0，k₅＞0，k₆＞0且滿足下述三個預設條件中的任意一個：

(1)k₂k₃+k₁k₄-k₆≥0且k₁k₃＞k₅；

(2)k₂k₃+k₁k₄-k₆≤-2k₂k₄λ_N且

(3)-2k₂k₄λ_N＜k₂k₃+k₁k₄-k₆＜0且(k₂k₃+k₁k₄-k₆)²-4k₂k₄(k₃k₁-k₅)＜0；

步驟3：設計分布式故障檢測殘差生成器，基于第i個無人機的運動學模型和分布式控制律，得到第i個無人機的閉環動態模型如下：

其中p_j∈R，v_j∈R為第j個無人機的位移和速度，f_j∈R為第j個無人機的速度傳感器故障，分別為第i個無人機的閉環動態模型的參考軌跡，具體形式如下：

基于第i個無人機的閉環動態模型，利用鄰居節點的狀態估計信息，得到如下分布式故障檢測殘差生成器：

其中和分別為第i個無人機的故障檢測殘差生成器的積分變量，位移和速度的估計，和分別為第j個無人機的故障檢測殘差生成器的位移和速度估計，r_i^p∈R和r_i^v∈R為第i個無人機的故障檢測殘差生成器的殘差信號，g₁₁∈R，g₁₂∈R，g₂₁∈R，g₂₂∈R，g₃₁∈R，g₃₂∈R且滿足如下預設條件：

步驟4：設計分布式故障分離殘差生成器，第i個無人機分布式故障分離殘差生成器設計具體如下：

其中和分別為第i個無人機的故障分離殘差生成器積分變量，位移和速度的估計，和分別為第j個無人機的故障分離殘差生成器位移和速度估計，和為第i個無人機的故障分離殘差生成器的殘差信號，滿足如下預設條件：

步驟5：進行故障檢測，每個無人機的故障檢測殘差生成器的殘差信號r_i^p(t)的2范數為||r_i^p(t)||₂，每個無人機自身的故障檢測閾值根據噪聲、未建模動態以及故障可檢測性的要求和實際經驗獲得；將每個無人機自身的故障檢測殘差生成器的殘差信號的2范數和自身的故障檢測閾值相比較，如果自身的故障檢測殘差生成器的殘差信號的2范數大于或等于自身的故障檢測閾值，則系統中有一個無人機在空間坐標系x軸方向上的速度傳感器發生故障；如果自身的故障檢測殘差生成器的殘差信號的2范數小于自身的故障檢測閾值，則系統中沒有無人機在空間坐標系x軸方向上的速度傳感器發生故障；

步驟6：進行故障分離，每個無人機的故障分離殘差生成器的殘差信號的2范數為每個無人機自身的故障分離閾值根據噪聲、未建模動態以及故障可分離性的要求和實際經驗獲得；將每個無人機自身的故障分離殘差生成器的殘差信號的2范數和自身的故障分離閾值相比較，如果自身的故障分離殘差生成器的殘差信號的2范數大于或等于自身的故障分離閾值，則本無人機在空間坐標系x軸方向上的速度傳感器發生故障；如果自身的故障分離殘差生成器的殘差信號的2范數小于自身的故障分離閾值，則自身無人機在空間坐標系x軸方向上的速度傳感器沒有發生故障，其他無人機在空間坐標系x軸方向上的速度傳感器發生故障；

步驟7：無人機的運動學模型在空間坐標系x軸、y軸和z軸上是解耦的，第i個無人機在空間坐標系y軸方向上的運動學模型與步驟2中x軸方向上的運動學模型相同，重復步驟2至步驟6，得到無人機編隊系統在y軸上的故障分析結果；

步驟8：無人機的運動學模型在空間坐標系x軸、y軸和z軸上是解耦的，第i個無人機在空間坐標系z軸方向上的運動學模型與步驟2中x軸方向上的運動學模型相同，重復步驟2至步驟6，得到無人機編隊系統在z軸上的故障分析結果。