[發明專利]一種針對電機故障的四旋翼無人機容錯控制方法

有效

• 申請號: 202010801719.0
• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN111880410B
• 公開（公告）日: 2021-12-28
• 發明（設計）人: 余翔;郭克信;周思成;郭雷
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 張乾楨;賈玉忠

本發明提出一種針對四旋翼無人機電機故障的主動容錯控制方法，首先，構建含有故障系數的四旋翼無人機耦合動力學模型，量化四旋翼無人機電機的故障程度；其次，分別建立針對旋翼無人機各電機的獨立狀態估計器；再次，根據狀態觀測器的結果和各電機理想狀態得到殘差；然后，針對由于傳感器測量誤差或者外界環境干擾所可能造成的故障誤檢問題，給出了基于系統模型的自適應閾值設計方法，所設計的閾值根據上一時刻無人機的狀態殘差進行自適應調整，當故障參數超過閾值時才會認定為電機發生故障；最后，通過估計各電機的故障幅值，在無人機的名義控制器的基礎上進行重構，在線自主生成可調節電機故障的旋翼無人機容錯控制器，完成電機缺相故障情況下的旋翼無人機安全穩定飛行。

技術領域

本發明涉及一種針對電機故障的四旋翼無人機容錯控制方法，適用于各類電機容易損壞且計算能力有限的民用四旋翼無人機控制系統，本發明涉及無人飛行器控制技術領域。

背景技術

四旋翼無人機是一個具有非線性、強耦合和不確定的欠驅動系統，相比其他飛行器，其顯著特點為：(1)體積小，起降靈活，可在小面積場地完成垂直起降；(2)四旋翼無人機可在低空完成機動飛行，飛行速度可達每秒數十米，轉向靈活，擁有著較強機動性強；(3)結構簡單，生產成本較低，易于維護。由于四旋翼無人機的種種優點，它可代替人類進入某些極端條件區域執行任務：軍事方面，可用于執行近距離的偵查巡邏、點子對抗、目標監視等復雜任務；民用方面，可用于航拍攝影、地圖測繪、電力巡檢、農業植保等。綜上所述，四旋翼無人機擁有巨大的應用領域和廣闊的發展前景，各國的研究機構都在對其進行深入的挖掘和開發。

然而，在四旋翼無人機自主飛行過程中，總會發生一些不可預估難以避免的狀況，尤其以電機發生故障的情況居多。若遇到執行器故障的情況，無人機的飛行品質大幅降低，甚至導致無人機無法正常完成目標任務。因此，研究四旋翼無人機的容錯控制算法，使其能在旋翼故障和外界干擾下穩定跟蹤期望軌跡，對于保證無人機高安全飛行具有重要意義。

目前，容錯控制主要分為兩類，被動容錯控制和主動容錯控制。被動容錯控制的主要設計思路是設計可以容忍某類故障而無需在線故障信息的通用控制器，繼而保障閉環控制系統的穩定性。常用的被動容錯控制包括各類模型參數自適應控制、滑模控制和各類魯棒控制方法。由于被動容錯控制器本身需要同時適應正常狀況以及幾種故障情況，在飛行性能方面存在較大的保守性。而主動容錯控制的主要設計思路是設計一種可以在線故障信息進行診斷的算法，根據故障診斷信息進行實時地重構控制，從而保障系統的穩定性。對故障信息的診斷是主動容錯控制的核心，對故障信息估計的實時性和準確性決定了主動容錯控制性能的好壞。

專利申請號為201810207537.3中提出了一種基于自適應故障估計觀測器的四旋翼無人機容錯控制方法，但存在兩個問題：(1)該專利并沒有考慮故障診斷和隔離的問題，在外界環境出現急速變化時容易對無人機的自身情況產生誤判，導致無人機在未發生故障的情況下失穩，在非故障情況下對無人機的控制精度和穩定性造成嚴重影響；(2)該專利采用的H∞算法比較依賴系統模型的準確性，且故障估計需要5～6秒，那么有理由推測在故障估計出來前的控制效果不佳，所以在實際使用時會受到較大程度限制。因此在無人機控制的穩定性和故障估計的快速性上有待改進。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有不足，提供一種針對電機故障的四旋翼無人機容錯控制方法，利用該方法能夠為計算能力有限的民用四旋翼無人機控制系統提供電機故障情況下的容錯控制能力，能夠實現四旋翼無人機控制系統的高精度容錯控制。

本發明的技術解決方案為：一種針對四旋翼無人機電機故障的主動容錯控制方法，包括如下步驟：

步驟1，考慮四旋翼無人機在位置測量和姿態測量中的外界干擾和各種不確定性，建立包含故障參數的四旋翼無人機非線性動力學系統模型；

步驟2，分別建立針對旋翼無人機各電機的獨立狀態估計器；

步驟3、根據狀態觀測器的結果和各電機理想狀態得到殘差；