【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种完全分布式的鲁棒容错控制方法，尤其涉及一种具有模型不确定性和执行器故障的多四旋翼无人机系统的鲁棒容错控制方案。
技术介绍
1、在过去的十几年中，四旋翼无人机被广泛应用于各个领域，从航空测量到测绘、消防、环境监测到军事领域。因此，四旋翼无人机越来越受到研究人员和学者的重视。
2、然而，四旋翼无人机具有强耦合、强非线性以及不确定性，同时实际无人机系统容易出现执行器意外故障和外部干扰，这些干扰会降低闭环系统的控制性能，甚至导致闭环系统的不稳定，使得无人机在多输入多输出不确定非线性质量下保证性能的分布式容错控制成为一个重要而又具有挑战性的问题。
3、到目前为止，人们针对四旋翼无人机这样的多输入多输出系统，在保证瞬态和稳态性能方面，已经取得了丰硕的成果，采用如基于自适应的方法的系统非线性先验知识或非线性逼近器，但这些方法带来了种种问题，如涉及非常复杂的控制器结构或沉重的计算负担。
4、对在有向拓扑下，如何全局保证具有模型不确定性和执行器故障的多四旋翼无人机系统的瞬态和稳态性能仍然是一个突出的问题。解决这一问题的挑战主要是双重的，即如何处理四旋翼无人机的拓扑结构以及未知输入增益与意外故障执行器之间的耦合以增强可控性，以及如何在保证性能的同时以全局低复杂度的方式抑制外部干扰和可换向执行器故障的影响。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术中针对具有模型不确定性和执行器故障的多四旋翼无人机系统，开发了一种多四旋翼无人机系统的分布式容错控制
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种多四旋翼无人机系统的分布式容错控制方法，所述多四旋翼无人机系统由一个领导者和n个追随者组成；
3、实际输入与设计输入uk＝[τx,τy,τz]t之间的关系为：
4、
5、式中γk(t)＝diag{γk,x(t),γk,y(t),γk,z(t)}为未知乘法故障矩阵，其中0<γk,j|≤1分段连续，∈k＝[∈k,x,∈k,y,∈k,z]t为未知有界偏置故障向量，γk,x(t),γk,y(t),γk,z(t)分别表示第k个四旋翼无人机所对应机身坐标系的x轴、y轴、z轴的未知乘法故障向量；
6、所述分布式容错控制方法包括两个阶段：
7、阶段1：设计分布式鲁棒滤波器来估计具有保证性能的期望轨迹：引入一个减少阶数的完全分布式低复杂度滤波器
8、
9、其中是yl的估计值，是滤波器的输入，分别表示第k个四旋翼无人机三个姿态角期望轨迹矢量的估计值；
10、设σk为第k个四旋翼无人机的邻域跟踪误差向量，然后利用信息交换拓扑计算σk用于设计ηk：
11、
12、其中，定义为滤波器跟踪误差，ak,i，bk，yl分别表示第k个四旋翼无人机邻接矩阵a中元素、第k个四旋翼无人机邻居集合中元素、第i个四旋翼无人机期望轨迹矢量的估计值、第k个四旋翼无人机期望轨迹矢量的估计值、四旋翼无人机的期望轨迹矢量；
13、令和则由式(7)可得：
14、
15、由于l+b在a1下是非奇异的，那么由(8)进一步导出：
16、
17、其中为正常数，l，b，im，σ(t)，σ分别表示的拉普拉斯矩阵、的邻接矩阵、m阶单位矩阵、四旋翼无人机邻域时变跟踪误差向量矩阵、四旋翼无人机邻域跟踪误差向量矩阵；
18、引入一个辅助函数其中δ>0为常数，特征如下：
19、i)v|◇→-δ＝-∞,v|◇→δ＝∞和v(0)＝0；
20、ii)是有界的，其中◇∈(-δ,δ)；
21、iii)是关于◇径向无界的；
22、然后引入变换后的误差向量ek＝[ek,1,ek,2,ek,3]t：
23、ek＝v-1(σk)/ρ(t) (10)
24、其中ρ(t)是一个正可微函数，ρ(0)＝1且ek，σk分别表示第k个四旋翼无人机滤波器变换后的误差向量、第k个四旋翼无人机的邻域跟踪误差向量；
25、滤波器输入ηk被设计为：
26、ηk＝-ιkζkβkdk (11)
27、其中ιk>0是设计参数，且当dk,j＝v(ek,j)时，dk＝[dk,1,dk,2,dk,3]t，ζk，βk，dk分别表示为三个不相同的隐函数，dk,1,dk,2,dk,3分别是三个姿态角对应的相关隐函数；
28、阶段2：性能保证的鲁棒控制器以驱动输出跟踪预分配性能的估计轨迹，同时自动适应可换向故障执行器：首先定义输出/虚拟跟踪误差εk,1为：
29、εk,1＝xk,1-αk,0 (12)
30、其中且αk,1为虚拟控制器；与阶段1类似，引入一个变换后的误差向量ek,1＝[ek,1,1,ek,1,2,ek,1,3]t，其中ek,1,j定义为：
31、ek,1,j＝v-1(εk,1,j)/ρk,1(t) (13)
32、其中ρk,1(t)是一个正可微函数，ρk,1(0)＝1且ek,1,j表示第k个四旋翼无人机参考跟踪控制器变换后的一阶误差向量；
33、然后将虚拟控制器和实际控制器设计为：
34、
35、其中μk,1>0为设计参数，当vk,1,j＝v(ek,1,j)时，vk,1＝[vk,1,1,vk,1,2,vk,1,3]t，当vk,2,j＝v(ek,2,j)时，vk,2＝[vk,2,1,vk,2,2,vk,2,3]t，且ω>0为常数，αk,1，uk分别表示虚拟控制器和实际控制器，βk,1，βk,2，vk,1，vk,2，ζk,1，ζk,2分别表示六个不同的隐函数；
36、为用于处理可换向执行器故障引起的未知控制方向的某个努斯鲍姆函数，且ξk更新为：
37、
38、其中lk和为正设计参数，ξk表示与vk,2相关的努斯鲍姆函数中的设计参数。
39、相对于现有技术，本专利技术至少具有如下优点：
40、1.针对多输入多输出不确定非线性质量系统中存在未知非线性、外部非消失扰动和执行器故障等异质不确定因素的情况，提出了一种全局分布式规定性能控制方案。首次引入一阶辅助滤波系统来估计具有保证性能的期望轨迹。然后，通过采用比最先进的更宽松的扩展可控性条件，设计了一个纯鲁棒参考跟踪控制器，以驱动输出跟踪预分配性能的估计轨迹。同时自动适应不规则的执行器故障。
41、2.本专利技术具有新颖的隐式双相体系结构，在控制设计中既不需要非线性的先验知识(或估计它们的近似器)，也不需要(估计的)期望轨迹/虚拟控制器的导数或任何故障检测和诊断块的导数，因此具有低复杂性。
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1.一种多四旋翼无人机系统的分布式容错控制方法，其特征在于：所述多四旋翼无人机系统由一个领导者和N个追随者组成；
【技术特征摘要】
1.一种多四旋翼无人机系统的分布式容错控制方法，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄秀财，万啸扬，倪金宇，陈胜希，刘桓江，杨俊榕，赵镝琴，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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