[发明专利]一种针对电机故障的四旋翼无人机容错控制方法

权利要求书

1.一种针对四旋翼无人机电机故障的主动容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，考虑四旋翼无人机在位置测量和姿态测量中的外界干扰和各种不确定性，建立包含故障参数的四旋翼无人机非线性动力学系统模型；

步骤2，分别建立针对旋翼无人机各电机的独立状态估计器；

步骤3、根据状态观测器的结果和各电机理想状态得到残差；

步骤4、针对由于传感器测量误差或者外界环境干扰所可能造成的故障误检问题，给出了基于系统模型的自适应阈值设计方法，所设计的阈值根据上一时刻无人机的状态残差进行自适应调整，当故障参数超过阈值时才会认定为电机发生故障；

步骤5、通过估计各电机的故障幅值，在无人机的名义控制器的基础上进行重构，在线自主生成用于调节电机故障的旋翼无人机容错控制器，完成电机缺相故障情况下的旋翼无人机安全稳定飞行；步骤1具体如下：

考虑四旋翼无人机在位置测量和姿态测量中的外界干扰和各种不确定性，建立四旋翼无人机非线性动力学系统模型，表示如下：

式中，地面系与机体系之间的转换矩阵

其他参数定义如下：n＝[x y z]^T表示无人机在地面坐标系下的位置信息，为n的一阶导数；η＝[φ θ ψ]^T表示无人机在机体坐标系下的姿态信息，其中φ表示滚转角，θ表示俯仰角，ψ表示偏航角，为η的一阶导数；v＝[v_x v_y v_z]^T表示无人机在地面坐标系下的速度信息，其中v_x表示无人机在x方向上的速度，v_y表示无人机在y方向上的速度，v_z表示无人机在z方向上的速度，表示v的一阶导数；ω＝[p q r]^T表示无人机在机体系下的三轴角速度信息,其中p表示机体系下无人机绕x轴的角速度，q表示机体系下无人机绕y轴的角速度，r表示机体系下无人机绕z轴的角速度，为ω一阶导数；[ξ_v ξ_ω]^T分别表示位置控制和角度控制中的外界干扰和模型不确定性；[J_x J_y J_z]^T表示无人机的三轴转动惯量；[τ_φ τ_θ τ_ψ]^T的各元素表示滚转力矩，俯仰力矩和偏航力矩；F_m为总升力；m为无人机的质量；g为重力加速度；

根据四旋翼无人机的非线性动力学模型，定义四旋翼无人机的控制输入u＝[F_m τ_φ τ_θτ_ψ]^T，则该控制输入进一步表示为：

式中，R_u是无人机控制参数与无人机各电机出力的映射矩阵，f_s是由各旋翼产生的升力，s＝1,…,4，d_φ、d_θ为滚转和俯仰力矩臂，实际大小为对应电机到电机距离的一半，实际应用中通过测量电机轴中心沿无人机框架的前进/后退和侧向之间的长度获得；c_τf是电机推力扭矩常数，实际应用中通过飞行测试将电机转矩与推力生成的数据用一个线性多项式进行拟合而获得；

由于缺相而导致的执行器故障被建模为各桨叶产生的升力中存在一个随时间变化的部分有效性损失，表示为：

其中，Γ_u＝diag(α_s)，s＝1,…,4，α_s∈(0,1]是无人机各桨的故障参数，且该参数是随时间变化的；步骤二具体如下：

定义无人机的状态向量如下ζ＝[v_z p q r]^T，根据第一步中建立的四旋翼无人机动力学模型，建立非线性状态观测器如下：

式中，表示无人机高度方向上的线速度和关于3轴角速度的估计值，△＝diag(△_i)，△_i0表示增益参数，非线性部分可以表示为：

定义则根据该状态观测器进一步设计自适应阈值如下：

式中，表示自适应阈值中的第i项，ε_i(t₀)表示上一时刻的状态残差，为人为给定的参数，该参数大小根据无人机所处环境的干扰大小以及自身的性能状况来人为确定，该参数的标定方法是在确保无人机无故障情况下先做低空悬停测试，并根据所设计的非线性状态观测器反馈残差值的1.5-2倍作为该参数的大小；

故障检测策略为：在无人机执行任务的过程中，当非线性状态观测器反馈的残差任意一项ε_i(t)大于对应的自适应阈值则认为发生故障；步骤三具体如下：

结合四旋翼无人机故障情况下的动力学模型，设计故障情况下的自适应状态观测器如下：

四旋翼无人机共4个执行器，式中的和分别为第i个执行器的状态向量估计值和故障参数估计值,是一个待设计的正增益参数矩阵，输入矩阵残差Λⁱ表示第i个执行器的对角转换矩阵，当i＝1时Λ¹＝diag(1,0,0,0)；在该自适应状态观测器中，作为电机故障参数α_s的估计值；步骤四具体如下：

通过估计的故障参数，对基础控制器输出的控制指令进行调整，具体的调整方法如下：

式中，f_s为基础控制器输出的控制指令，为容错控制器输出的控制指令,I₄为一个4×4的单位对角矩阵，即I₄＝diag(1,1,1,1)。