《Fault-tolerant Flight Control and Guidance Systems: Practical Methods for ...

请叫我雷锋

《Fault-tolerant Flight Control and Guidance Systems: Practical Methods for Small Unmanned Aerial Vehicles》
容错飞行控制与制导系统：小型无人机的实用方法
作者：Guillaume J.J. Ducard, PhD
Measurement and Control Laboratory
Department of Mechanical and Process Engineering
ETH Zurich
出版社：Springer
出版时间：2009年

《Fault-tolerant Flight Control and Guidance Systems: Practical Methods for Small Unmanned Aerial Ve ...

《Fault-tolerant Flight Control and Guidance Systems: Practical Methods for Small Unmanned Aerial Ve ...

《Fault-tolerant Flight Control and Guidance Systems: Practical Methods for Small Unmanned Aerial Ve ...

《Fault-tolerant Flight Control and Guidance Systems: Practical Methods for Small Unmanned Aerial Ve ...

目录
Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Motivations for Fault-tolerant Control Systems for
Unmanned Aerial Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Book Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Review. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1 Definition of Fault-tolerant Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Fault . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.3 Fault-tolerant Control System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.4 Dealing with Faults and Failures in Practice . . . . . . . . . 6
2.2 Challenges of Designing Reconfigurable Control Systems . . . . . 7
2.2.1 Difficulties of Designing Reliable FDI Systems . . . . . . . 7
2.2.2 Interaction Between Flight Controllers and FDI
Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.3 Other Practical Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Different Approaches for FDI Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.1 Trends in Filter Design for FDI System . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2 Trends in Active Fault Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Different Approaches for Flight Control Systems. . . . . . . . . . . . 11
2.5 Techniques to Design Fault-tolerant Flight Control Systems . . 11
2.5.1 Multiple Model Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5.2 Control Allocation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5.3 Model Reference Adaptive Control . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5.4 Other Reconfigurable Control Methods . . . . . . . . . . . . . . 16
2.6 Reconfigurable Guidance Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.7 Real Flight Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
xiii
xiv Contents
3 Nonlinear Aircraft Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1 Definitions of the Frames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.1 Navigation Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.2 Body Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.3 Euler Angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.4 Direction Cosine Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.5 Quaternion Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.6 Wind Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Wind Disturbance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Model of the Low Altitude Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4 Equations of Rigid-body Motion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4.1 Equations of Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4.2 Equations of Moments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5 Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5.1 Engine Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5.2 Thrust Force. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6 Model of the Aerodynamic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6.1 Lift Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6.2 Lateral Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6.3 Drag Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.7 Model of the Aerodynamic Torques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.7.1 Roll Torque Lb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.7.2 Pitch Torque Mb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.7.3 Yaw Torque Nb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.8 Summary of the Nonlinear Aircraft Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4 Nonlinear Fault Detection and Isolation System . . . . . . . . . . 43
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 FDI Using MMAE Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2.1 Advantage of the MMAE Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2.2 Limitations of the MMAE Method . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2.3 New Extensions to the MMAE Method:
The EMMAE Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3 A New FDI Scheme Based on the EMMAE Method. . . . . . . . . 46
4.3.1 Modeling Actuator Faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3.2 The EMMAE Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4 Aircraft Actuator Configuration and Nonlinear Dynamics . . . . 49
4.4.1 The Aircraft Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4.2 Aircraft Nonlinear Dynamics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.5 Design of the EKFs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.5.1 EKF Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.5.2 Designing the EKF for the No-fault Scenario . . . . . . . . . 56
4.5.3 Augmenting the State Vector with the Faulty
Actuator Parameter ¯δi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Contents xv
4.5.4 Designing the EKF for the Case of a Failure on
Aileron 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.6 Actuator Fault Isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.6.1 Hypothesis Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.6.2 Gaussian Conditional Probability Density . . . . . . . . . . . 61
4.7 Simulation Results of the EMMAE-FDI with no Supervision
System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.7.1 Simulation Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.7.2 Scenario. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.7.3 Comments on the Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.7.4 Remarks on the First Attempt to Use the
EMMAE-FDI System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.8 Improvements to the EMMAE-FDI System . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.8.1 Design of an Active Supervision Module (Supervisor) . 68
4.8.2 Performance of the EMMAE-FDI with the
Supervision System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.9 A Realistic Flight Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.9.1 No-wind and No-actuator-fault Conditions . . . . . . . . . . . 72
4.9.2 Wind Conditions and No Actuator Faults . . . . . . . . . . . 76
4.9.3 Strong Winds, Actuator Faults and Active
Supervision Module. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.10 An Additional Filtering Stage for the EMMAE-FDI System. . 80
4.11 Detection and Isolation of Simultaneous Failures . . . . . . . . . . . 81
4.12 Use of the EMMAE-FDI for a Reconfigurable Flight Control
System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.12.1 Control Allocation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.12.2 Benefits of the Supervision Module for Control
Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.13 Computational Complexity of the EMMAE-FDI . . . . . . . . . . . . 85
4.14 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5 Control Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1 Introduction to Control Allocation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2 Reconfigurable Flight Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3 Behavior Mode of Ailerons and Elevators . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.3.1 Nominal Mode: Mode 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.3.2 Single Actuator Fault Modes: Modes 1 to 4 . . . . . . . . . . 97
5.4 Multiple Failures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.4.1 Case of Two Simultaneous Failures: Mode 5 . . . . . . . . . 99
5.4.2 More Than Two Simultaneous Failures: Modes 6 and 7 99
5.5 Extensions of the Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.6 Computational Load of the Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.7 Simulation Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.7.1 Impact of the Control Allocator on the Controller . . . . 101
xvi Contents
5.7.2 Comparison of Computational Effort for Control
Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6 Nonlinear Control Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.1 Concept of Dynamic Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.1.1 Derivation of a Dynamic Inversion Controller . . . . . . . . 107
6.1.2 General Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.1.3 Formulation of the Signal for the Desired Output
Dynamics y˙des(t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.2 Ideal or Perfect Dynamic Inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.3 Architecture of the Controller of Desired Dynamics . . . . . . . . . 111
6.3.1 Selection of a PI Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.3.2 Feedforward of the Command Signal yc . . . . . . . . . . . . . 112
6.3.3 Open-loop Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.3.4 Design Rules for the Command-feedforward Gain fc . . 114
6.3.5 Feedforward of the Rate of Change of the Command
Signal y˙c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.3.6 Reference Model and Explicit Model Following . . . . . . . 117
6.3.7 Integrator Anti-windup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7 Autopilot for the Longitudinal Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.1 Equations for Longitudinal Mode Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
7.1.1 Pitch Rate Differential Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.1.2 Airspeed Differential Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
7.1.3 Differential Equation for the Angle of Attack . . . . . . . . 123
7.1.4 Differential Equation for the Pitch Angle . . . . . . . . . . . . 123
7.1.5 Matrices for the Longitudinal Mode. . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.2 Dynamic Modes of the Longitudinal Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.2.1 Short-period Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.2.2 Phugoid Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.3 Validation of the Linear Longitudinal Model . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.3.1 Perturbation on the Elevator Command . . . . . . . . . . . . . 126
7.3.2 Perturbation on the Engine Speed nmot . . . . . . . . . . . . . 127
7.4 Stability Analysis of the Uncertain Dynamic Inversion . . . . . . 128
7.4.1 Uncertain Model Parameters and Measurement Data . 129
7.4.2 Linear Modeling of the Uncertain Dynamic Inversion . 130
7.4.3 Model Simplification for the Longitudinal Motion . . . . 131
7.4.4 Linear Model of the Pitch Axis and Dynamic
Inversion Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
7.4.5 Evaluation of the Uncertainty Terms in the Matrix ADI 135
7.4.6 Effect of Uncertainties on Dynamic Inversion . . . . . . . . 137
Contents xvii
7.4.7 Mathematical Selection of the Uncertain Model
Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.5 General Control Architecture for the Longitudinal Motion . . . 143
7.5.1 Nonlinear Transformation T3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.5.2 Nonlinear Transformation T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.5.3 Nonlinear Transformation T1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.6 Pitch Rate Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.6.1 Stability/Robustness Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.6.2 Pitch Rate Closed-loop Transfer Function . . . . . . . . . . . 150
7.7 Angle-of-attack Control Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.7.1 Open-loop and Closed-loop Gains . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.7.2 Comments on the Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7.8 Rate-of-climb Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.8.1 Open-loop Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.8.2 Closed-loop Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.9 Altitude Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.9.1 Open-loop Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.9.2 Closed-loop Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.9.3 Performance of the Altitude Controller . . . . . . . . . . . . . . 165
7.10 Airspeed Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.10.1 Content of this Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.10.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.10.3 Engine Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.10.4 Thrust Force. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.10.5 Nonlinear Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.10.6 Controller of the Desired Airspeed Dynamics . . . . . . . . . 171
7.10.7 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
8 Autopilot for the Lateral Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
8.1 Equations for Lateral Motion Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
8.1.1 Differential Equation for the Roll Rate p . . . . . . . . . . . . 176
8.1.2 Differential Equation for the Yaw Rate r . . . . . . . . . . . . 176
8.1.3 Differential Equation for the Sideslip Angle β . . . . . . . . 176
8.1.4 Differential Equation for the Roll Angle φ . . . . . . . . . . . 177
8.1.5 Matrices for the Lateral Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8.2 Dynamic Modes of the Lateral Plant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
8.2.1 Dutch Roll Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8.2.2 Roll Subsidence Mode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8.2.3 Spiral Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8.3 Validation of the Linear Lateral Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8.3.1 Perturbation on the Aileron Command . . . . . . . . . . . . . . 180
8.3.2 Perturbation on the Rudder Command . . . . . . . . . . . . . . 181
8.3.3 Linearization at Different Operating Points . . . . . . . . . . 182
8.4 Stability Analysis of the Uncertain Dynamic Inversion . . . . . . 183
xviii Contents
8.4.1 Uncertain Model Parameters and Measurement Data . 183
8.4.2 Modeling of the Uncertain Dynamic Inversion . . . . . . . . 183
8.4.3 Linear Representation of the Lateral-directional Motion185
8.4.4 Definition of the Matrices ADI, BDI, and CDI for the
Lateral Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
8.4.5 Stability of the Channel p˙des to pmeas . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.4.6 Stability of the Channel r˙des to rmeas . . . . . . . . . . . . . . . 190
8.5 Roll and Yaw Rate Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
8.5.1 Architecture of the Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8.5.2 Open-loop Analysis of the Roll and Yaw Rate
Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8.5.3 Frequency-domain Stability and Robustness Bounds . . 194
8.6 Coordinated-turn Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.6.1 Sideslip Angle Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.6.2 Desired Dynamics of the Bank Angle . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.6.3 Desired Dynamics of the Sideslip Angle . . . . . . . . . . . . . 198
8.6.4 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
9 Reconfigurable Guidance System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
9.2 Lateral Guidance System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
9.2.1 Lateral Guidance Control Law for Trajectory Tracking 203
9.2.2 Advantages and Properties of the Method . . . . . . . . . . . 204
9.2.3 Drawback of the Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
9.2.4 Selection of L1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
9.2.5 Path-planning Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
9.3 Regular Waypoint Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
9.3.1 Computation of the Reference Point P . . . . . . . . . . . . . . 206
9.3.2 Logic for Segment Switching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
9.3.3 Computation of the Roll Angle Command φcom . . . . . . 208
9.4 Altitude Guidance Law. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
9.5 NFZ and Obstacles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
9.5.1 Definition of an NFZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
9.5.2 Choice of an Appropriate Look-ahead Distance RLA . . 212
9.6 Detection of the NFZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
9.7 NFZ Avoidance Algorithm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
9.7.1 On-line Selection of an Avoidance Path Template . . . . . 218
9.7.2 Entering the Circular Path Template . . . . . . . . . . . . . . . 219
9.7.3 Choice of the Avoidance Side . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
9.7.4 Generating the Template Path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.7.5 Leaving the Circular Path Template . . . . . . . . . . . . . . . . 221
9.7.6 Properties of the Guidance Schedule . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9.8 Simulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
9.8.1 Simulation Set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Contents xix
9.8.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
9.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10 Evaluation of the Reduction in the Performance of a UAV 229
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
10.2 FDI System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
10.2.1 FDI with Control Surface Deflection Sensor . . . . . . . . . . 230
10.2.2 FDI Without Control Surface Deflection Sensor . . . . . . 230
10.3 Degraded Turn Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
10.3.1 Determination of the Maximum Bank Angle for
Left/Right Turn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
10.3.2 Determination of the Minimum Radius of Right/Left
Turns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
10.3.3 Determination of the Maximum Roll Rates . . . . . . . . . . 234
10.3.4 Determination of the Maximum Time τroll to Roll to
φmax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
10.4 Interface with the Guidance System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
10.5 Stability Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
10.6 Simulation Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
10.6.1 No Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
10.6.2 With Failure but No Reconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . 237
10.6.3 With Failure and With Reconfiguration . . . . . . . . . . . . . 237
10.7 Performance Degradation Around the Pitch and Yaw Axes . . 238
10.7.1 Pitch Axis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
10.7.2 Yaw Axis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
10.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
11 Conclusions and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
11.1 Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
11.1.1 FDI System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
11.1.2 Reconfigurable Guidance System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
11.2 The Future of Fault-tolerant Flight Control Systems for UAVs 242
11.3 General Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
A VT , α, and β Differential Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
B Discretization of Linear State Space Models . . . . . . . . . . . . . . 247
B.1 Continuous Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
B.2 Discrete Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
B.2.1 Derivation of the Discrete Process-noise Covariance
Matrix Qk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
B.2.2 Transition Matrix for KFs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
xx Contents
C Nonlinear Transformations Used in the Longitudinal
Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
C.1 Nonlinear Transformation T 1 Between Second Time
Derivative of Altitude ¨h and the Aircraft Normal
Acceleration an . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
C.2 Nonlinear Transformation T 2 Between the Angle of Attack
α and the Aircraft Normal Acceleration an . . . . . . . . . . . . . . . . 252
C.3 Nonlinear Transformation T 3 Between α˙ and the Pitch Rate q 253
D Nonlinear Transformation Used in the Lateral-directional
Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
D.1 Dynamics of the Sideslip Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
D.2 Roll Angle Command Signal and Equation Governing a
Coordinated Turn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
D.3 Law of Cosines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
E Linearization of the Aircraft Model at 30m/s . . . . . . . . . . . . . 259
E.1 Longitudinal Linear Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
E.2 Lateral Linear Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
F Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265


这本书出中文版了
容错飞行控制与导航系统:小型无人机实用方法

容错飞行控制与导航系统:小型无人机实用方法

专业书籍
下载地址：（回复后可见）

游客，如果您要查看本帖隐藏内容请回复

Ken

好書值得研讀,謝謝分享!

璀璨星空

谢谢分享。
来自: 微社区

jjj

very good

御锋

谢谢

边沿

谢谢

自由

谢谢分享

GOOWOO

好书

wxl1975

想下载！

greathun

收藏了