[发明专利]三旋翼无人机舵机堵塞故障下位姿系统的容错控制方法

说明书

本发明涉及三旋翼无人机容错控制问题，为提出新的无人机容错控制方法，实现完整的闭环稳定控制，本发明采取的技术方案是，三旋翼无人机舵机堵塞故障下位姿系统的容错控制方法,步骤如下：首先定义惯性坐标系{I}、机体坐标系{B}，通过分析三旋翼无人机的动力学特性，并同时考虑外部扰动以及未知空气阻尼的影响，得到三旋翼无人机发生舵机堵塞故障时的非线性动力学模型：采用浸入‑不变集方法进行高度通道控制器设计；采用浸入‑不变集方法结合RISE算法进行平动系统控制器设计，实现三旋翼无人机容错控制。本发明主要应用于三旋翼无人机设计制造场合。

技术领域

本发明涉及一种三旋翼无人机容错控制问题。针对三旋翼无人机舵机发生堵塞故障时的 位姿控制问题，提出一种基于浸入-不变集方法和鲁棒符号误差函数积分(RISE)算法的非线性 容错控制方法。

背景技术

近年来，多旋翼无人机在航空摄影、快递运输、等军事和民用领域得到越来越广泛的应 用。与传统四旋翼无人机、六旋翼无人机不同，三旋翼无人机通常由三个电机和一个可倾转 舵机组成，具有结构简单、成本低、能耗小、机动性好等优点。三旋翼无人机通常通过改变 三个电机的转速和舵机的偏转角度以实现悬停、俯仰、滚转等动作，受无人机飞行稳定性及 制作工艺等的影响，舵机极易发生堵塞故障，对无人机的飞行性能会产生严重影响。

目前国内外针对舵机发生堵塞故障时三旋翼无人机的位姿控制尚没有相关文献发表。针 对其它类型的多旋翼无人机执行器发生故障时的位姿控制问题，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-LatestDevelopment；著者：Youmin Zhang， Annas Chamseddine；出版年月：2012年；文章题目：Fault Tolerant and Flight Control Techniques with application to a QuadrotorUAV Testbed；页码：119–150)。

但是，当前各种容错控制方法均有其各自的局限性。比如：在对执行器故障进行动力学 建模时，将其视为外部扰动力矩，进行了较大程度的近似，难以反映执行器故障对无人机的 真实影响(期刊：控制理论与应用；著者：杨荟憭，姜斌，张柯；出版年月：2014年；文章 题目：四旋翼直升机姿态系统的直接自我修复控制；页码：1053-1060)；部分容错控制方法 在平衡点处对四旋翼无人机的动力学模型进行了线性化处理，理论证明只能得到平衡点附近 的稳定结论，当执行器发生故障时，飞行器姿态会发生突变，且多数情况下飞行器姿态会偏 离平衡点较大位置，控制器应用范围难以保证(期刊：IEEE Transactions onControl Systems Technology；著者：Z.T.Dydek，A.M.Annaswamy，E.Lavretsky；出版年月：2013年7月；文 章题目：Adaptive Control of Quadrotor UAVs：a Design Trade Studywith Flight Evaluations； 页码：1400–1406)；部分容错控制方法需要进行故障诊断和故障隔离，并在此基础上进行故 障重构，算法复杂，难以实现工程应用(期刊：Proceedingsof the Institution of Mechanical Engineers,Part I,Journal of Systems andControl Engineering；著者：T.Li,Y.M.Zhang,B.W. Gordon；出版年月：2012年1月；文章题目：Passive and Active Nonlinear Fault-Tolerant Control of a Quadrotor UAVBased on Sliding Mode Control Technique；页码：12-23)。