[发明专利]一种基于执行器可靠性的四旋翼控制器实时重构方法有效
申请号: | 202010801694.4 | 申请日: | 2020-08-11 |
公开(公告)号: | CN111965978B | 公开(公告)日: | 2022-08-23 |
发明(设计)人: | 余翔;贾镜汀;李文硕;郭克信;贾金豆;郭雷 | 申请(专利权)人: | 北京航空航天大学 |
主分类号: | G05B13/04 | 分类号: | G05B13/04 |
代理公司: | 北京科迪生专利代理有限责任公司 11251 | 代理人: | 安丽;贾玉忠 |
地址: | 100191*** | 国省代码: | 北京;11 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 基于 执行 可靠性 四旋翼 控制器 实时 方法 | ||
本发明涉及一种基于执行器可靠性的四旋翼控制器实时重构方法,针对四旋翼飞行器安全控制问题,首先,基于四旋翼飞行器的线性动力学模型设计线性二次型控制器作为闭环姿态控制器;其次,进行系统可靠性分析,计算当前控制输入下的螺旋桨错误率;然后,根据螺旋桨错误率实时调整线性二次型控制器的输入变量加权矩阵,对线性二次型控制器增益进行在线更新,实现基于系统可靠性的控制器重构。本方法能够提高四旋翼飞行器姿态控制系统的可靠性,适用于对可靠性要求较高的四旋翼飞行器控制系统。
技术领域
本发明涉及一种基于执行器可靠性的四旋翼控制器实时重构方法,适用于长时间工作需要保证任务安全性和系统可靠性的飞行器控制系统,属于飞行器安全控制领域。
背景技术
飞行器的可靠性是指飞行器在规定时间、规定条件下完成既定任务的能力,长时间高负荷工作会使执行器的可靠性降低,系统的可靠性和飞行性能是一对相对矛盾的控制要求。较大的执行器输入信号使系统响应较快,性能较好,但可能会造成执行器的寿命降低。基于可靠性对执行器输入信号进行控制可保证在执行器发生故障条件下系统的安全性和可靠性。
现代复杂控制系统有高性能、高安全性、高可靠性等要求。值得注意的是,可靠性与安全性存在区别。可靠性描述了发生故障的概率,可靠性是可组合的,可以提高特定组件的可靠性,提高可靠性会减少系统故障的机会。安全性主要是指系统设计是否存在安全漏洞,一个组件不可能是“安全的”,只有系统可以是“安全的”。从这个意义上说,可靠性是较长时间维度的统计学概念,而安全性是即时的。
专利申请号为201910934440.7中提出了一种基于无人机蜂群系统的任务可靠性分析方法及系统,根据待分析的无人机蜂群系统,获取攻击策略,但使用单一参数(临界概率)作为节点的可靠性指数,并没有考虑元件参数、负载等对可靠性的影响。专利申请号为201510633034.9中提出了一种基于动态特性的飞行器任务可靠性建模方法,根据不同阶段任务建立不同的可靠性模型,但提出的方法并没有将得到的可靠性模型加入系统控制器的设计中,仅作为了系统的一项性能指标。现有技术中根据可靠性动态调整控制作用的方法较少,因此,针对考虑四旋翼控制系统的可靠性并以此进行控制器重构这一问题,本发明提供了一种可行的解决方法。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种基于执行器可靠性的四旋翼控制器实时重构方法,采用线性二次型控制器作为闭环控制器,通过在线计算执行器的可靠性,实时更新线性二次型控制器的输入变量加权矩阵,从而实现控制器重构,提高四旋翼飞行器的可靠性。
本发明的技术解决方案为:一种基于执行器可靠性的四旋翼控制器实时重构方法,其实现步骤如下:
第一步,基于四旋翼飞行器的线性动力学模型,设计线性二次型控制器的输入变量加权矩阵,完成控制器的设计;
四旋翼飞行器的线性动力学模型,表示如下:
式中,x、y、z为四旋翼的位置,φ、θ、ψ分别为四旋翼飞行器的滚转角、俯仰角和偏航角,τpitch、τroll、τyaw分别为滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩,Jxx、Jyy、Jzz为三轴转动惯量;对于执行器,升力/力矩与执行器输入信号之间的关系为:
式中,ui是第i号电机的PWM输入,F是四个螺旋桨产生的总升力,Lroll是俯仰方向两个螺旋桨的距离,Lpitch是滚转方向两个螺旋桨的距离,Kt=KrKf是与螺旋桨相关的常数;
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