[发明专利]针对三旋翼无人机舵机堵塞故障的容错控制方法

说明书

本发明涉及三旋翼无人机容错控制技术，为针对三旋翼无人机发生舵机堵塞故障时的姿态控制问题开展研究，本发明采用的技术方案是，针对三旋翼无人机舵机堵塞故障的容错控制方法，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{B_d}，通过分析舵机对三旋翼无人机的作用原理，并考虑外部扰动对其动力学特性的影响，得到三旋翼无人机执行器发生故障时的非线性动力学模型，设计相应的观测器、控制器。本发明主要应用于三旋翼无人机控制场合。

技术领域

本发明涉及三旋翼无人机容错控制技术，具体讲,涉及针对三旋翼无人机舵机堵塞故障的容错控制方法。

背景技术

近年来，多旋翼无人机在高空摄影、灾后救援、环境监测等军事和民用领域得到越来越广泛的应用。与传统四旋翼无人机、六旋翼无人机不同，三旋翼无人机通常由三个电机和一个舵机组成，结构更简单、成本更低、能耗更小、机动性更强。三旋翼无人机依靠三个电机的转动及舵机的偏转实现俯仰、滚转、偏航等动作，受无人机飞行稳定性及自身工艺等影响，舵机极易发生堵塞故障，对无人机的飞行性能产生严重影响。

目前国内外很多研究机构已经开始致力于三旋翼无人机的位姿控制研究，但是针对舵机发生堵塞故障时的位姿控制尚没有相关研究文献。三旋翼无人机作为一个四输入六输出的欠驱动系统，当舵机发生堵塞故障时，输入量减少一个，这与四旋翼无人机执行器发生故障的情况类似。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致有两种：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：Automatic Flight Control Systems-Latest Development；著者：Youmin Zhang，AnnasChamseddine；出版年月：2012年；文章题目：Fault Tolerant and Flight ControlTechniques with application to a Quadrotor UAV Testbed；页码：119–150)。