[發(fā)明專利]一種基于廣義觀測器的四旋翼無人機(jī)故障估計(jì)方法

有效

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• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號: CN111722614B
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 沈俊;蔣靖雯
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 向文

本發(fā)明公開了一種基于廣義觀測器的四旋翼無人機(jī)故障估計(jì)方法，包括如下步驟：針對四旋翼無人機(jī)動力學(xué)系統(tǒng)模型，考慮其傳感器故障，建立四旋翼無人機(jī)姿態(tài)傳感器故障模型；將四旋翼姿態(tài)和傳感器故障增廣，得到新的增廣系統(tǒng)；針對所得新的增廣系統(tǒng)，設(shè)計(jì)廣義觀測器，用于實(shí)現(xiàn)對四旋翼無人機(jī)姿態(tài)和傳感器故障的同時(shí)估計(jì)；基于廣義觀測器以及增廣無人機(jī)姿態(tài)故障模型，得到姿態(tài)誤差模型；將姿態(tài)誤差模型的誤差系統(tǒng)視為正系統(tǒng)，利用正系統(tǒng)理論求得觀測器增益矩陣，實(shí)現(xiàn)對四旋翼無人機(jī)姿態(tài)和傳感器故障的同時(shí)估計(jì)。本發(fā)明通過正系統(tǒng)理論的應(yīng)用，大大簡化了系統(tǒng)的性能分析，相比傳統(tǒng)的H_∞方法，大大降低了觀測器增益矩陣的求解復(fù)雜度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于飛行控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于廣義觀測器的四旋翼無人機(jī)故障估計(jì)方法。

背景技術(shù)

隨著航空科技的高速發(fā)展，無人機(jī)消費(fèi)蓬勃發(fā)展，市場前景巨大，從而引起了大量國內(nèi)外學(xué)者對無人機(jī)技術(shù)的研究興趣。由于良好的機(jī)動性能以及較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，無人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域中都獲得了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)無人機(jī)的機(jī)翼類型和產(chǎn)生的動力方式可以將無人機(jī)分為固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)兩類。其中，旋翼無人機(jī)因能實(shí)現(xiàn)垂直起降、懸停、盤旋等任務(wù)而受到越來越廣泛的關(guān)注。目前市面上采用的無人機(jī)一般為四旋翼無人機(jī)，相較于其他無人機(jī)，四旋翼無人機(jī)由于其體積小、攜帶方便、提供的動力大、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、飛行空間要求不高等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)受到越來越廣泛的關(guān)注以及應(yīng)用。在民用方面，主要用于搶險(xiǎn)救災(zāi)、航拍、數(shù)傳、快遞、農(nóng)業(yè)方面的施肥噴農(nóng)藥等方面，在軍事方面主要用于反恐、監(jiān)測、巡邏、地面通信等方面。四旋翼無人機(jī)研究熱點(diǎn)包括：定高、定點(diǎn)、自主導(dǎo)航、姿態(tài)的解算、姿態(tài)控制等。其中，姿態(tài)控制部分是四旋翼飛行器研究其它方面的基礎(chǔ)，作為穩(wěn)定飛行的核心部分，也是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。

然而，在四旋翼無人機(jī)飛行過程中，受外界環(huán)境因素以及自身工藝的影響，難免會發(fā)生一些不可預(yù)測的情況，從而大大增加發(fā)生故障的概率，威脅人員設(shè)備安全。根據(jù)故障發(fā)生的位置，可將故障分為傳感器故障、執(zhí)行器故障、元器件故障。其中，傳感器故障為在無人機(jī)系統(tǒng)中傳感器不能準(zhǔn)確測量到系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)，即傳感器測出的數(shù)據(jù)偏離實(shí)際值，甚至與實(shí)際值完全不相關(guān)。根據(jù)故障發(fā)生的個(gè)數(shù)，可以將其分為單故障和多故障。其中，單故障為無人機(jī)系統(tǒng)中單個(gè)器件發(fā)生故障，如單個(gè)執(zhí)行器故障、單個(gè)傳感器故障等。作為測量無人機(jī)姿態(tài)信息的核心，傳感器承擔(dān)了為無人機(jī)飛行提供安全可靠數(shù)據(jù)的重要任務(wù)，傳感器是否發(fā)生故障對飛行安全與否起到了至關(guān)重要的作用。

隨著故障診斷技術(shù)的不斷進(jìn)步，大量有效的故障診斷方法應(yīng)運(yùn)而生。如，定量數(shù)學(xué)模型方法、定性模型方法、等價(jià)空間法、觀測器方法。其中，數(shù)觀測器方法最為常見。對于存在擾動的線性系統(tǒng)，設(shè)計(jì)觀測器的關(guān)鍵在于魯棒性問題處理，主要策略是使得建立的誤差系統(tǒng)避免外部干擾的影響。針對一般的擾動線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的H_∞方法被廣泛應(yīng)用，目標(biāo)觀測器增益矩陣基于線性矩陣不等式的求解，但是這種方法由于觀測器增益矩陣的求解復(fù)雜度較高，系統(tǒng)的性能分析也較復(fù)雜，導(dǎo)致故障信息的估計(jì)不夠精確。

如何更加精確地估計(jì)故障信息，是進(jìn)一步進(jìn)行無人機(jī)容錯(cuò)控制的基礎(chǔ)，因此，研究四旋翼無人機(jī)姿態(tài)傳感器故障估計(jì)方法具有重要的價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于廣義觀測器的四旋翼無人機(jī)故障估計(jì)方法，為進(jìn)一步進(jìn)行無人機(jī)容錯(cuò)控制奠定了的基礎(chǔ)。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于廣義觀測器的四旋翼無人機(jī)故障估計(jì)方法，包括如下步驟：

S1：針對四旋翼無人機(jī)動力學(xué)系統(tǒng)模型，考慮其傳感器故障，建立四旋翼無人機(jī)姿態(tài)傳感器故障模型；

S2：基于四旋翼無人機(jī)姿態(tài)傳感器故障模型，將四旋翼姿態(tài)和傳感器故障增廣，得到新的增廣系統(tǒng)；

S3：針對所得新的增廣系統(tǒng)，設(shè)計(jì)廣義觀測器，用于實(shí)現(xiàn)對四旋翼無人機(jī)姿態(tài)和傳感器故障的同時(shí)估計(jì)；