● 摘要
无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）由于具有费效比高、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好等优点，在军事和民用领域得到了广泛的应用，现已成为各国竞相发展的技术。无人机作为一个典型的多传感器系统，主要包括惯性导航系统、GPS、大气机、磁力计等，要实现其精确控制，必须保证飞行参数的精确测量，即保证各种传感器输出真实可靠。传感器的测量信息用于反馈控制、自动导航和飞行控制系统的动态监控过程，对于确保无人机安全飞行具有至关重要的作用。由于电磁干扰、机械振动、温度剧烈变化等因素的影响，传感器极易发生故障。因此，实现传感器故障的快速准确检测，对于提高无人机系统的安全可靠性具有十分重要的意义。本论文结合提高无人机系统安全可靠性这一迫切需求，利用多传感器冗余信息，以空速管为例，开展无人机传感器故障诊断方法及应用研究。论文的主要工作如下：
首先，通过对无人机的动力学和运动学分析，建立无人机六自由度非线性模型，利用小扰动线性化原理，得到无人机纵向线性模型。并以空速管为例对其工作原理以及传感器故障建模进行了介绍，为后文进行空速管故障诊断方法研究奠定了基础。
其次，针对大气扰动影响下的空速管故障检测问题，提出了基于H∞/Hi故障诊断滤波器的无人机空速管故障检测方法。选用Hi指标描述残差对故障的灵敏度, H∞范数表示残差对扰动的鲁棒性, 将故障检测滤波器的设计问题转化为H∞/Hi优化问题，实现最优残差产生器的设计。然后利用残差评价函数对产生的残差进行评价，实现对空速管故障的快速准确检测。
最后，考虑到无人机飞控系统已完成观测器设计这一特殊情况，研究动态后置滤波器的设计问题。使得已有观测器所生成的残差在经过动态后置滤波器之后，其故障诊断性能在H∞/Hi指标下仍然达到最优。同时结合阈值选取，实现了在满足给定误报率要求下的故障检测率的最大化。仿真实验验证了所提出方法的有效性。