[發明專利]針對四旋翼無人機執行器部分失效的容錯控制方法

有效

• 申請號: 201510374421.5
• 申請日: 2015-06-30
• 公開（公告）號: CN104965414B
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: 鮮斌;郝偉
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 劉國威

技術領域

本發明涉及一種四旋翼無人機容錯控制方法，特別是涉及四旋翼無人機執行器發生部分失效的容錯控制方法。

背景技術

四旋翼無人機以其尺寸小、行動靈活、可垂直起降及定點懸停等特點在航拍、災后救援、農林種植等領域得到越來越廣泛的應用。受飛行器控制穩定性及自身工藝影響，電機和螺旋槳的持續高速旋轉使其發生故障的概率大大提高。由于四旋翼無人機是一個具有強耦合特性的典型非線性系統，一旦發生上述故障，飛行穩定性就會急劇下降，甚至導致無人機失控。如何保證四旋翼無人機在執行器發生故障的情況下仍能得到有效控制，具有重要的理論意義和應用價值。

四旋翼無人機常見故障通常包括執行器故障和傳感器故障，其中執行器故障發生頻率更高、對四旋翼無人機性能影響更大，也更加難以解決。

加拿大Concordia大學作為研究四旋翼無人機容錯控制較早的單位，其研究人員已分別設計了基于變增益PID、模型參考自適應(MRAC)、微分平坦、滑模等多種算法的容錯控制器，均已實現了實驗驗證(書籍：Automatic Flight Control Systems-Latest Development；著者：Youmin Zhang，AnnasChamseddine；出版年月：2012年；文章題目：Fault Tolerant and Flight Control Techniques with application to a Quadrotor UAV Testbed；頁碼：119–150)。但是MRAC僅考慮了系統在平衡點處的性能，當無人機偏離設定平衡點時，系統性能難以得到保證；微分平坦方法則需要在故障檢測的基礎上實現故障重構，算法復雜，難以實現工程應用；滑?？刂苿t可能會引起輸入力矩的抖振，影響控制性能。

麻省理工大學的研究人員主要采用MRAC和CMRAC算法對四旋翼無人機螺旋槳發生突然斷裂的情況進行了研究，并進行了實際飛行實驗(期刊：IEEE Transactions on Control Systems Technology；著者：Z.T.Dydek，A.M.Annaswamy，E.Lavretsky；出版年月：2013年；文章題目：Adaptive Control of Quadrotor UAVs：a Design Trade Study with Flight Evaluations；頁碼：1400–1406)。該方法同樣在平衡點處對無人機動力學模型進行了線性化，僅考慮了系統的線性化模型，當無人機發生較大偏移時，無人機飛行穩定性會受較大影響。

阿聯酋大學的研究人員主要致力于首先采用非線性觀測器對四旋翼無人機的故障進行在線估計，然后針對不同故障類型采用主動容錯控制算法實現對四旋翼無人機的容錯控制。這種方法能夠針對不同故障類型采用不同的容錯控制算法，容錯控制效果較好，但該方法較為復雜，目前僅實現了仿真驗證，工程實用性有待進一步驗證。

南京航空航天大學的研究人員除了采用與國外高校類似的控制算法對四旋翼無人機的容錯控制進行了探索外，還將自適應滑?？刂扑惴ㄒ霟o人機的容錯控制，并在三自由度實驗平臺上進行了實驗驗證(期刊：控制理論與應用；著者：楊薈憭，姜斌，張柯；出版年月：2014年；文章題目：四旋翼直升機姿態系統的直接自我修復控制；頁碼：1053-1060)。但是 該方法在對執行器故障建模時，將執行器故障簡單地以外部擾動力矩形式加入到四旋翼無人機動力學模型中，該模型難以反映執行器故障對無人機的真實影響。

發明內容

為克服技術的不足，本發明旨在提出一種容錯控制器，實現四旋翼無人機在執行器發生部分失效時仍能保持姿態穩定。為此，本發明采取的技術方案是，針對四旋翼無人機執行器部分失效的容錯控制方法，包括下列步驟：

通過分析執行器對四旋翼無人機的作用原理，用未知對角矩陣表示執行器失效對其動力學特性的影響，同時考慮外部未知擾動力矩的干擾，得到四旋翼無人機執行器部分失效時的非線性動力學模型：

式(1)中各變量定義如下：η＝[φ(t),θ(t),ψ(t)]^T∈R^3×1表示歐拉角，φ(t),θ(t),ψ(t)分別表示滾轉角、俯仰角和偏航角，[·]^T表示矩陣的轉置，∈表示集合間的“屬于”關系，R^3×1表示3行1列的實數向量；表示歐拉矩陣，sin(·),cos(·)分別表示正弦、余弦函數；M(η)＝Ψ^T(η)JΨ(η)∈R^3×3表示慣性矩陣，J為轉動慣量矩陣，M(η)是正定對稱矩陣，且滿足：