一种变载四旋翼无人机容错控制方法技术

本发明专利技术公开了一种变载四旋翼无人机容错控制方法，包括：建立变载四旋翼无人机非线性动力学模型；建立自适应质量估计算法和扰动估计算法；建立位置子系统的非奇异快速终端滑模面，设计位置子系统控制器；建立姿态故障模型；根据姿态故障模型建立自适应非线性故障观测器，得到故障估计值；根据故障估计值，在姿态故障模型基础上利用积分滑模建立姿态子系统控制器。本发明专利技术通过自适应质量估计机制，精确计算出四旋翼无人机在整体质量变化瞬间的实际值；通过外部扰动自适应机制，有效降低外部扰动对变载飞控系统的影响；利用自适应非线性故障观测器精确地估计故障的时变信息，有效包容未知执行器故障对飞控系统的影响。未知执行器故障对飞控系统的影响。未知执行器故障对飞控系统的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种变载四旋翼无人机容错控制方法


[0001]本专利技术涉及飞行器自动控制领域，特别涉及一种变载四旋翼无人机容错控制方法。

技术介绍

[0002]四旋翼无人机具有结构简单、垂直起降、悬停精准、灵活性高和操作方便的优点，被广泛应用于空间监视、电力巡检、农业植保、环境监测、空中物流、高空救援等领域。变载四旋翼无人机是一类携带负载工作的无人机，时变的负载会大大降低四旋翼飞控系统的稳定性和可靠性；外部干扰如风力的影响，以及飞行过程中高速旋转的电动机带来的突发性执行器故障，都会导致无人机偏离预定轨道，甚至发生坠毁的事故。内在的负载变化和外在的环境影响之间存在一定的耦合关系，给飞控系统的安全设计带来一定的困难。
[0003]在无人机执行器故障容错控制方面，主要分为主动和被动两种容错方式。被动容错能力存在局限性，增加四旋翼控制器的冗余；主动容错控制的研究方法较多，但存在不足：如将系统执行器故障程度分段，分别设计不同的补偿控制律，实时故障检测并调用对应的控制律进行补偿故障损耗，但是，调用不同的控制律会降低控制器对突发状况的响应速度，导致跟踪效果变慢；利用神经网络逼近外部扰动上界，结合自适应估计补偿执行器故障，但应对严重突发性故障时，系统的跟踪误差会有较大的超调量。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对以上问题，本专利技术目的是提供一种变载四旋翼无人机容错控制方法，针对无人机在受到内部质量变化、外部扰动和执行器故障情况下仍能保持位置和姿态的稳定。
[0005]技术方案：本专利技术的一种变载四旋翼无人机容错控制方法，包括如下步骤：
[0006](1)建立变载四旋翼无人机在正常运行状态下的非线性动力学模型，包括位置子系统模型和姿态子系统模型；
[0007](2)考虑无人机负载质量变化和外部扰动的影响，分别建立自适应质量估计算法和扰动估计算法；
[0008](3)建立位置子系统的非奇异快速终端滑模面，考虑自适应质量估计算法和扰动估计算法，对位置子系统模型构建虚拟控制量，根据虚拟控制量与无人机姿态角之间的关系，得到位置子系统的位置控制输入，设计位置子系统控制器；
[0009](4)考虑执行器故障对姿态子系统的影响，在姿态子系统模型的基础上建立姿态故障模型；
[0010](5)根据姿态故障模型建立自适应非线性故障观测器，得到故障估计值；
[0011](6)根据故障估计值，在姿态故障模型基础上利用积分滑模建立姿态子系统控制器。
[0012]进一步，步骤1包括：
[0013](101)根据牛顿第二定律，建立变载四旋翼无人机的在地面坐标系下的位置平移动力学方程为：
[0014][0015]其中，m为变质量四旋翼无人机总体的质量，为地面坐标系下的x，y，z方向加速度，[x,y,z]为无人机质心在惯性坐标系中的位置坐标，分别为x方向、y方向和z方向的加速度，F＝[0 0 U1]T
为机体坐标系下产生的升力矩阵，U1为位置的控制输入，R为地面坐标系与机体坐标系之间的转换矩阵，d
F
＝[d
1 d
2 d3]T
代表外部扰动，g为重力系数；
[0016](102)基于牛顿
‑
欧拉方法，建立变载四旋翼无人机的在地面坐标系下的姿态旋转动力学方程为：
[0017][0018]其中，τ
B
为各电机转子提供的扭矩，τ
B
＝[U2I
x U3I
y U4I
z
]T
，U2、U3、U4为姿态的控制输入，I
x
为x轴的转动惯量，I
y
为y轴的转动惯量，I
z
为z轴的转动惯量；I
B
为系统转动惯量，I
B
＝diag(I
x
,I
y
,I
z
)；ω
B
为机体坐标系下的姿态角速度，ω
B
＝[p,q,r]T
，p,q,r分别代表机体坐标系下的横滚角、俯仰角、偏航角的角速度；τ
d
为气动摩擦力矩，τ
d
＝diag(d
φ
,d
θ
,d
ψ
)ω
E
，ω
E
为地面坐标系下的姿态角速度，[φ,θ,ψ]为无人机三个姿态的欧拉角度，分别代表滚转角、俯仰角和偏航角；
[0019](103)结合步骤(101)和步骤(102)，得到变载四旋翼无人机的非线性动力学模型如下：
[0020][0021]式中前三项为变载四旋翼无人机的位置子系统模型，后三项为变载四旋翼无人机的姿态子系统模型；分别为滚转角、俯仰角和偏航角的角速度，分别为滚转角、俯仰角和偏航角的角加速度，分别为x方向、y方向和z方向的加速度，a
i
为常数并且i＝1,...,6，S
(*)
表示sin(*)，C
(*)
表示cos(*)，U1为位置系统的控制输入，U2为滚转角的控制输入，U3为俯仰角的控制输入，U4为偏航角的控制输入，d
j
为外界干扰项，j＝1,...,6，d
j
满足|d
j
|≤D，D为未知扰动上界，且D＞0，a
i
的表达式为：
[0022][0023]其中d
φ
、d
θ
、d
ψ
均为阻力系数；
[0024]U1、U2、U3、U4满足以下条件：
[0025][0026][0027][0028][0029]其中，Ω1,Ω2,Ω3,Ω4为电机的转速，l为电机到变质量机体重心的距离，κ为拉力系数，为扭矩系数。
[0030]进一步，步骤2中自适应质量估计算法和扰动估计算法表达式分别为：
[0031][0032]其中，表示的是四旋翼无人机质量变化的自适应律；表示的是外部干扰的自适应律；γ1,γ2为待设计参数；s
p
是位置子系统的非奇异快速终端滑模面；是位置子系统控制输出的中间变量。
[0033]进一步，步骤3包括：
[0034](301)将步骤103中位置子系统模型写成如下矩阵形式：
[0035][0036]其中U
p
＝[u
x u
y u
z
]T
为位置子系统的虚拟控制量，u
x
＝U1(C
φ
S
θ
C
ψ
+S
φ
S
ψ
)，u
y
＝U1(C
φ
S
θ
S
ψ
‑
S
φ
C
ψ
)，u
z
＝U1(C
φ
C
θ
)；d
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变载四旋翼无人机容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立变载四旋翼无人机在正常运行状态下的非线性动力学模型，包括位置子系统模型和姿态子系统模型；(2)考虑无人机负载质量变化和外部扰动的影响，分别建立自适应质量估计算法和扰动估计算法；(3)建立位置子系统的非奇异快速终端滑模面，考虑自适应质量估计算法和扰动估计算法，对位置子系统模型构建虚拟控制量，根据虚拟控制量与无人机姿态角之间的关系，得到位置子系统的位置控制输入，设计位置子系统控制器；(4)考虑执行器故障对姿态子系统的影响，在姿态子系统模型的基础上建立姿态故障模型；(5)根据姿态故障模型建立自适应非线性故障观测器，得到故障估计值；(6)根据故障估计值，在姿态故障模型基础上利用积分滑模建立姿态子系统控制器。2.根据权利要求1所述的容错控制方法，其特征在于，步骤1包括：(101)根据牛顿第二定律，建立变载四旋翼无人机的在地面坐标系下的位置平移动力学方程为：其中，m为变质量四旋翼无人机总体的质量，为地面坐标系下的x，y，z方向加速度，[x,y,z]为无人机质心在惯性坐标系中的位置坐标，分别为x方向、y方向和z方向的加速度，F＝[0 0 U1]
T
为机体坐标系下产生的升力矩阵，U1为位置的控制输入，R为地面坐标系与机体坐标系之间的转换矩阵，d
F
＝[d
1 d
2 d3]
T
代表外部扰动，g为重力系数；(102)基于牛顿
‑
欧拉方法，建立变载四旋翼无人机的在地面坐标系下的姿态旋转动力学方程为：其中，τ
B
为各电机转子提供的扭矩，τ
B
＝[U2I
x U3I
y U4I
z
]
T
，U2为滚转角的控制输入，U3为俯仰角的控制输入，U4为偏航角的控制输入，I
x
为x轴的转动惯量，I
y
为y轴的转动惯量，I
z
为z轴的转动惯量；I
B
为系统转动惯量，I
B
＝diag(I
x
,I
y
,I
z
)；ω
B
为机体坐标系下的姿态角速度，ω
B
＝[p,q,r]
T
，p,q,r分别代表机体坐标系下的横滚角、俯仰角、偏航角的角速度；τ
d
为气动摩擦力矩，τ
d
＝diag(d
φ
,d
θ
,d
ψ
)ω
E
，ω
E
为地面坐标系下的姿态角速度，[φ,θ,ψ]为无人机三个姿态的欧拉角度，分别代表滚转角、俯仰角和偏航角；(103)结合步骤(101)和步骤(102)，得到变载四旋翼无人机的非线性动力学模型如下：
式中前三项为变载四旋翼无人机的位置子系统模型，后三项为变载四旋翼无人机的姿态子系统模型；分别为滚转角、俯仰角和偏航角的角速度，分别为滚转角、俯仰角和偏航角的角加速度，分别为x方向、y方向和z方向的加速度，a
i
为常数并且i＝1,...,6，S
(*)
表示sin(*)，C
(*)
表示cos(*)，d
j
为外界干扰项，j＝1,...,6，d
j
满足|d
j
|≤D，D为未知扰动上界，且D＞0，a
i
的表达式为：其中d
φ
、d
θ
、d
ψ
均为阻力系数；U1、U2、U3、U4满足以下条件：满足以下条件：满足以下条件：满足以下条件：其中，Ω1,Ω2,Ω3,Ω4为电机的转速，l为电机到变质量机体重心的距离，κ为拉力系数，为扭矩系数。3.根据权利要求2所述的容错控制方法，其特征在于，步骤2中自适应质量估计算法和扰动估计算法表达式分别为：
其中，表示的是四旋翼无人机质量变化的自适应律；表示的是外部干扰的自适应律；γ1,γ2为待设计参数；s
p
是位置子系统的非奇异快速终端滑模面；是位置子系统控制输出的中间变量。4.根据权利要求3所述的容错控制方法，其特征在于，步骤3包括：(301)将步骤103中位置子系统模型写成如下矩阵形式：其中U
p
＝[u
x u
y u
z
]
T
为位置子系统的虚拟控制量，u
x
＝U1(C
φ
S
θ
C
ψ
+S
φ
S
ψ
)，u
y
＝U1(C
φ
S
θ
S
ψ
‑
S
φ
C
ψ
)，u
z
＝U1(C
φ
C
θ
)；d
p
＝[d
1 d
2 d3]
T
为位置子系统三个方向的外部扰动，G＝[0 0 g]
T
为位置子系统的重力系数；(302)根据非奇异终端滑模面公式建立位置子系统非奇异快速终端滑模面s
p
，表达式为：e
p
＝P
‑
P
d
是位置跟踪误差，P＝[x y z]
T
为实际值，P
d
＝[x
d y
d z
d
]
T
为目标值；α,β,h均为滑模参数，且满足α＞0,β＞0,h≥0；对滑模面s
p
求导：定义则上式改写为：(303)根据下式设计趋近律(303)根据下式设计趋近律其...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵静，丁筱茜，谢佐宇，蒋国平，徐丰羽，丁洁，高志峰，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：