无人机自主飞行可靠性研究

摘要

随着机器学习与人工智能技术、控制理论与技术、信息处理和计算机技术的的迅猛发展，无人机已成为学术界和工业界的研究热点，并在越来越多的领域得到广泛应用，如航空拍摄、搜索搜救、赈灾服务等等。自主飞行技术是无人机最重要的功能之一，这使得无人机可以利用其高机动性实现远程自动作业。无人机的自主飞行技术在硬件上通常需要具备传感器、执行器和核心计算处理单元等组件，在软件上通常需要具有状态估计器、控制器等算法实现，其软硬件组合形式多样，这使得这项技术的实现方式丰富多样且具有一定的挑战性。
　　近年来，由于无人机自主飞行安全事故的层出不穷，人们对于其系统可靠性需求的逐渐增长，安全和可靠的系统性能已经成为了人们的一个基本关注点。然而，许多无人机系统仍然具有相当的脆弱性，无论是学界还是工业界，都有大量的研究人员报告了大量的相关安全问题并提出了对应的解决方案。然而，这些研究仍然有一些不足之处。基于对相应研究点不足之处的总结分析，本文的研究思路和结果概述如下:
　　1.研究GPS欺骗攻击劫持无人机自主飞行轨迹的问题。考虑无人机配备有X2检测嚣，攻击者意图通过GPS欺骗攻击劫持无人机自主飞行轨迹，并保证攻击的隐蔽性（不触发该检测器）。从无人机的视角出发，利用随机可达技术和椭圆集合运算方法对无人机的自主飞行安全性予以评估。理论推衍和仿真实验表明，虽然存在X2检测器的约束，持续性的GPS欺骗攻击依然会使得无人机的随机可达范围随着时间逐渐增大。从攻击者的视角出发，研究攻击者列元人机送行实时GPS欺骗攻击的注入数据计算方法。考虑实际场景里面，攻击者的能力有限，并不能完全获得UAV的状态信息，这使得攻击的隐蔽性不能保证。故而探索了成功的隐蔽性攻击的存在条件。
　　2.设计六旋翼无人机的执行器故障诊断算法。考虑一个星型架构的六旋翼无人机，在自主飞行的过程中一个执行器部分程度失效，使用非线性分析冗余方法推衍了用于故障诊断的残余量，基于选定的残余量设计了隔离故障诊断执行器的机制，并提出了失效程度的估计方法。仿真实验和实物实验表明，所提出的方法具有有效性。通过和基于滑膜观测器的多旋翼执行器故障诊断算法进行全面对比发现，所设计的故障诊断算法具有复杂度低、隔离效率高等优点。
　　3.研究无人机自主飞行控制器的性能优化算法。联合考虑无人机的模型不确定性和线性二次调节型控制器权重矩阵参数不确定性，使用高斯过程对不确定参数进行非参建模，并利用贝叶斯优化机制来搜寻最优参数集合的选择。考虑无人机作为安全关键系统，控制需要有稳定性作为安全保证，在贝叶斯优化机制里加入了控制稳定性校验。考虑未知环境因素对于贝叶斯优化过程造成系统性能时变的影响，设计了时变的高斯过程核函数适应该不确定性。仿真实验和实物实验表明，所提出的所发具有有效性，相对于相应的静态算法，所提出的算法具有效率高的优点。
　　最后对全文进行了总结，并展望进一步的研究工作。

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第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 无人机

1．1．2 无人机应用场景

1．1．3 无人机自主飞行技术

1．2 无人机自主飞行性能可靠性

1．2．1 无人机自主飞行的网络和通信安全

1．2．2 无人机自主飞行的机械组件安全

1．2．3 无人机自主飞行的控制性能优化

1．3 本文研究内容结构

第二章 GPS欺骗攻击对自主飞行无人机性能影响评估

2．1 引言

2．2 系统模型

2．3 无人机自主飞行的安全评估

2．4 仿真实验

2．4．1 未受攻击的无人机自主飞行轨迹

2．4．2 安全评估

2．5 结论

第三章 运用GPS欺骗攻击实时劫持无人机自主飞行轨迹

3．1 引言

3．2 系统模型

3．3 获得完全信息的攻击

3．3．1 攻击模型

3．3．2 攻击者的目标

3．4 部分信息获取的攻击

3．4．1 攻击模型

3．4．2 成功的稳蔽攻击的条件

3．5 评估

3．5．1 信息完全获取的攻击场景

3．5．2 部分信息获取的攻击

3．6 结论

第四章 基于非线性分析冗余的无人机执行器故障诊断算法

4．1 背景介绍

4．2 预备知识

4．2．1 六旋翼的系统动态模型

4．2．2 惯性导航组件AHRS滤波算法

4．2．3 控制律翱控制分配机制

4．2．4 故障建模

4．3 故障诊断

4．3．1 残余量的生成

4．3．2 发生故障的执行器的探测和隔离

4．3．3 故障信号重构

4．4 算法性能评估

4．4．1 平台构建

4．4．2 仿真实验验证

4．4．3 实验验证

4．4．4 讨论

4．5 总结和未来工作

第五章 基于贝叶斯优化机制的无人机自主飞行控制性能优化算法

5．1 背景介绍

5．2 准备知识

5．2．1 贝叶斯优化

5．3 建模和控制

5．3．1 局部控制器设计

5．3．2 控制稳定性

5．4 性能评估

5．4．1 性能函数构建

5．4．2 TV-CON-OPT算法

5．4．3 TV-CON-OPT算法总结

5．5 验证

5．5．1 控钱器参数自动调节

5．5．2 姿态追踪模型和控制器参数的自动联合优化

5．6 本章总结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

第七章 附录

参考文献

攻读博士学位期间主要研究成果及参与的科研项目