[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

说明书

本发明提出一种针对四旋翼无人机电机故障的主动容错控制方法，首先，构建含有故障系数的四旋翼无人机耦合动力学模型，量化四旋翼无人机电机的故障程度；其次，分别建立针对旋翼无人机各电机的独立状态估计器；再次，根据状态观测器的结果和各电机理想状态得到残差；然后，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；最后，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，在线自主生成可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。

技术领域

本发明涉及一种针对电机故障的四旋翼无人机容错控制方法，适用于各类电机容易损坏且计算能力有限的民用四旋翼无人机控制系统，本发明涉及无人飞行器控制技术领域。

背景技术

四旋翼无人机是一个具有非线性、强耦合和不确定的欠驱动系统，相比其他飞行器，其显著特点为：(1)体积小，起降灵活，可在小面积场地完成垂直起降；(2)四旋翼无人机可在低空完成机动飞行，飞行速度可达每秒数十米，转向灵活，拥有着较强机动性强；(3)结构简单，生产成本较低，易于维护。由于四旋翼无人机的种种优点，它可代替人类进入某些极端条件区域执行任务：军事方面，可用于执行近距离的侦查巡逻、点子对抗、目标监视等复杂任务；民用方面，可用于航拍摄影、地图测绘、电力巡检、农业植保等。综上所述，四旋翼无人机拥有巨大的应用领域和广阔的发展前景，各国的研究机构都在对其进行深入的挖掘和开发。

然而，在四旋翼无人机自主飞行过程中，总会发生一些不可预估难以避免的状况，尤其以电机发生故障的情况居多。若遇到执行器故障的情况，无人机的飞行品质大幅降低，甚至导致无人机无法正常完成目标任务。因此，研究四旋翼无人机的容错控制算法，使其能在旋翼故障和外界干扰下稳定跟踪期望轨迹，对于保证无人机高安全飞行具有重要意义。

目前，容错控制主要分为两类，被动容错控制和主动容错控制。被动容错控制的主要设计思路是设计可以容忍某类故障而无需在线故障信息的通用控制器，继而保障闭环控制系统的稳定性。常用的被动容错控制包括各类模型参数自适应控制、滑模控制和各类鲁棒控制方法。由于被动容错控制器本身需要同时适应正常状况以及几种故障情况，在飞行性能方面存在较大的保守性。而主动容错控制的主要设计思路是设计一种可以在线故障信息进行诊断的算法，根据故障诊断信息进行实时地重构控制，从而保障系统的稳定性。对故障信息的诊断是主动容错控制的核心，对故障信息估计的实时性和准确性决定了主动容错控制性能的好坏。

专利申请号为201810207537.3中提出了一种基于自适应故障估计观测器的四旋翼无人机容错控制方法，但存在两个问题：(1)该专利并没有考虑故障诊断和隔离的问题，在外界环境出现急速变化时容易对无人机的自身情况产生误判，导致无人机在未发生故障的情况下失稳，在非故障情况下对无人机的控制精度和稳定性造成严重影响；(2)该专利采用的H∞算法比较依赖系统模型的准确性，且故障估计需要5～6秒，那么有理由推测在故障估计出来前的控制效果不佳，所以在实际使用时会受到较大程度限制。因此在无人机控制的稳定性和故障估计的快速性上有待改进。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有不足，提供一种针对电机故障的四旋翼无人机容错控制方法，利用该方法能够为计算能力有限的民用四旋翼无人机控制系统提供电机故障情况下的容错控制能力，能够实现四旋翼无人机控制系统的高精度容错控制。

本发明的技术解决方案为：一种针对四旋翼无人机电机故障的主动容错控制方法，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；