基于观测器的四旋翼无人机容错控制方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术采用的技术方案是，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{Bd}，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。本发明专利技术主要应用于四旋翼无人机设计、控制场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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：AutomaticFlightControlSystems-LatestDevelopment；著者：YouminZhang，AnnasChamseddine；出版年月：2012年；文章题目：FaultTolerantandFlightControlTechniqueswithapplicationtoaQuadrotorUAVTestbed；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：IEEETransactionsonControlSystemsTechnology；著者：Z.T.Dydek，A.M.Annaswamy，E.Lavretsky；出版年月：2013年7月；文章题目：AdaptiveControlofQuadrotorUAVs：aDesignTradeStudywithFlightEvaluations；页码：1400–1406)；被动容错方法应用范围有限，难以做到对外界扰动和执行器故障鲁棒性的兼容性，控制效果较差，而主动容错控制方法则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：ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartI,JournalofSystemsandControlEngineering；著者：T.Li,Y.M.Zhang,B.W.Gordon；出版年月：2012年1月；文章题目：PassiveandActiveNonlinearFault-TolerantControlofaQuadrotorUAVBasedonSlidingModeControlTechnique；页码：12-23)。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，实现四旋翼无人机执行器故障情况下的姿态稳定。本专利技术采用的技术方案是，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于观测器的四旋翼无人机容错控制方法，其特征是，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{Bd}，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：Jω·=-S(ω)Jω+LFλ---(1)]]>式(1)中各变量定义如下：ω＝[ω1 ω2 ω3]T∈R3×1表示机体坐标系{B}相对于惯性坐标系{I}的姿态角速度，ω1,ω2,ω3分别表示滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度，[·]T表示矩阵的转置，∈表示集合间的“属于”关系，R3×1表示3行1列的实数向量，表示求取ω的一阶时间导数，下同；J∈R3×3为转动惯量，S(ω)表示求取ω对应的反对称矩阵，L∈R3×4为与机身长度和反扭矩系数相关的常系数矩阵，F＝diag{[f1 f2 f3 f4]T}∈R4×4表示升力矩阵，f1,f2,f3,f4分别表示四个电机产生的升力，diag{[f1 f2 f3 f4]T}表示向量[f1 f2 f3 f4]张成的对角矩阵，λ＝[λ1 λ2 λ3 λ4]T∈R4×1表示故障向量，λi＝1，i＝1,2,3,4表示第i个通道执行器正常，λi≠1，i＝1,2,3,4表示第i个通道执行器发生故障，假设执行器故障为常增益型故障，因此故障向量λ满足：λ·=0000T---(2)]]>为避免姿态表示奇异性问题，采用基于单位四元数的姿态表示方法，机体坐标系{B}在惯性坐标系{I}下的表达用“等效轴角坐标系”方法，将{B}和{I}重合，将{B}绕矢量k∈R3×1按右手定则旋转角，得到当前姿态单位四元数其中且满足k∈R3×1为定义在坐标系{I}中的任意单位矢量，为坐标系{B}绕矢量k旋转的任意角度；由机体坐标系{B}到惯性坐标系{I}的坐标变换矩阵用四元数表示为I3为3×3的单位矩阵，下同，S(qv)表示求取qv对应的反对称矩阵，同理，目标坐标系{Bd}在惯性坐标系{I}下的表达也可以用“等效轴角坐标系”方法，将{Bd}和{I}重合，将{Bd}绕矢量kd∈R3×1按右手定则旋转角，得到目标姿态单位四元数其中且满足kd∈R3×1为定义在坐标系{I}中的任意单位矢量，为坐标系{Bd}绕矢量kd旋转的任意角度；由目标坐标系{Bd}到惯性坐标系{I}的坐标变换矩阵用四元数表示为S(qvd)表示求取qvd对应的反对称矩阵，为了描述四旋翼无人机当前姿态与目标姿态之间的差异，定义姿态误差四元数e0=q0q0d+qvTqvdev=q0dqv-q0qvd+S(qv)qvd---(3)]]>其中e0和ev同样满足由目标坐标系{Bd}到机体坐标系{B}的坐标变换矩阵示为S(ev)表示求取ev对应的反对称矩阵；为了对四旋翼无人机执行器故障进行更有针对性的容错控制，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，定义观测器为：ξ·=-(∂β(ω,ω^,X)∂ω(-J-1S(ω)Jω+J-1LFλ^)+∂β(ω,ω^,X)∂ω^ω^·+∂β(ω,ω^,X)∂XX·)---(4)]]>其中ξ∈R4为观测器状态，表示求取ξ的一阶时间导数，为待求函数，为方便表示，用X代替ωd,eq，表示求取对ω的偏导数，表示求取对的偏导数，表示求取对X的偏导数，J‑1表示J的逆矩阵，表示求取的一阶时间导数，表示求取X的一阶时间导数，表示对λ的估计向量，表示对ω的估计值，且满足：ω^·=-J-1S(ω)Jω+J-1LFλ^+K(ω,r,ω^-ω)(ω^-ω)---(5)]]>其中为正增益函数，定义故障观测误差为z∈R4：z=λ^-λr=ξ+β(ω,ω^,X)-λr---(6)]]>其中r∈R为动态增益，对z求一阶时间导数，得z·=-∂β(ω,ω^,X)∂ωJ-1LFz-r·rz---(7)]]>假设存在正常数γ和连续可微矩阵：利用分别表示的列向量，使得：-12([B(&omeg...

【技术特征摘要】
1.一种基于观测器的四旋翼无人机容错控制方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲜斌，郝伟，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12