[发明专利]基于观测器的四旋翼无人机容错控制方法

说明书

本发明涉及一种四旋翼无人机容错控制问题，为实现四旋翼无人机执行器故障情况下的姿态稳定。本发明采用的技术方案是，基于观测器的四旋翼无人机容错控制方法，步骤如下：首先定义惯性坐标系{I}、机体坐标系{B}和目标坐标系{B_d}，通过分析执行器对四旋翼无人机的作用原理，用未知对角矩阵表示执行器故障对其动力学特性的影响，得到四旋翼无人机执行器发生故障时的非线性动力学模型；采用基于单位四元数的姿态表示方法；采用基于浸入‑不变集方法的观测器技术对执行器进行观测。本发明主要应用于四旋翼无人机设计、控制场合。

技术领域

本发明涉及一种四旋翼无人机容错控制问题。针对四旋翼无人机执行器发生失效故障时的姿态控制问题，提出一种基于浸入-不变集观测器技术的非线性自适应容错控制方法。

背景技术

四旋翼无人机依靠四个电机的转动带动螺旋桨旋转产生升力，通过改变不同电机的转速实现俯仰、滚转、偏航等动作。受飞行器控制稳定性及自身工艺影响，电机和螺旋桨的持续高速旋转使其发生故障的概率大大提高。此外，在飞行器飞行过程中会不可避免地受到外界干扰(如障碍物撞击、雨水强风、强气流等)、飞行器自身气动特性发生强烈变化等诸多不确定因素，这些都直接关系到飞行器飞行性能和安全性能。由于多旋翼飞行器是一个具有强耦合特性的典型非线性系统，一旦发生上述故障，飞行稳定性就会急剧下降，甚至导致飞行器失控，对飞行器本身及地面人员造成极大的伤害。因此，在飞行器飞行控制中加入容错控制模块以保证飞行器安全稳定的飞行显得尤为重要。如何保证多旋翼飞行器在发生故障的情况下仍能得到有效控制，正成为多旋翼飞行器研究领域的一个热点问题。

针对四旋翼无人机执行器发生故障时的姿态控制问题，目前采用较为广泛的容错控制策略大体可分为两类：被动容错和主动容错。被动容错利用控制器的鲁棒性使得控制器对故障信息不敏感，从而达到容错控制的目的；而主动容错则通过故障诊断与故障隔离能够在线检测并分离出所发生故障，再根据故障模式进行故障重构，以此达到容错控制目的。

对于上述两种容错控制策略，国内外很多研究单位，如麻省理工学院、瑞士联邦理工大学、康考迪亚大学、南京航空航天大学、北京航空航天大学等，基于多种线性或非线性控制方法开展了相关研究，如变增益PID、反步法、滑模控制、模型参考自适应、模型预测控制等方法，并且对这些方法的控制效果具有数值仿真或实际飞行实验的验证(书籍：Automatic Flight Control Systems-Latest Development；著者：Youmin Zhang，AnnasChamseddine；出版年月：2012年；文章题目：Fault Tolerant and Flight ControlTechniques with application to a Quadrotor UAV Testbed；页码：119–150)。