[发明专利]一种面向执行器故障的无人机容错飞行方法及飞行系统

权利要求书

1.一种面向执行器故障的无人机容错飞行方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据无人机执行器的故障状态，建立故障状态下的无人机非线性模型；

步骤2、根据故障状态下的无人机非线性模型，建立基于滑模观测器的故障观测器，用于对无人机的状态信息实时观测；

步骤3、根据故障观测器得到的观测值，结合反步控制方法以及故障状态下的无人机非线性模型，构建无人机的反步容错控制模型；

所述反步容错控制模型的表达式如下：

其中，u1_x,u1_y,u1_z表示u1指令在(x,y,z)三个方向上的分量；z₁表示期望位置的x坐标与当前位置的x坐标的差值；z₂表示期望位置的y坐标与当前位置的y坐标的差值；z₃表示期望位置的z坐标与当前位置的z坐标的差值；z₄表示期望的滚转角与当前滚转角的差值；z₅表示期望的俯仰角与当前俯仰角的差值；z₆表示期望的偏航角与当前偏航角的差值；(c₁,c₂,c₃,c₄,c₅,c₆)表示自定义控制系数，ξ_i(i＝1,2,3,4,5,6)代表外部干扰信号，ψ为偏航角，为滚转角，f_ai(i＝1,2,3,4,5,6)代表连续有界的加性故障；

步骤4、在反步容错控制模型的基础上，结合无人机控制系统的双回路设计方法，建立位置控制回路和姿态控制回路；

所述位置控制回路根据无人机期望的位置坐标信息生成期望的姿态滚转角和姿态俯仰角θ_d；

所述姿态控制回路根据姿态滚转角和姿态俯仰角θ_d控制无人机在故障状态下稳定飞行。

2.根据权利要求1所述的一种面向执行器故障的无人机容错飞行方法，其特征在于，步骤1中所述故障状态下的无人机非线性模型的表达式如下：

其中，u1代表油门指令；u2为滚转指令；u3为俯仰指令；u4为偏航指令；m无人机质量；g为重力加速度；(I_x,I_y,I_z)为无人机绕三轴的转动惯量；l为螺旋桨距离中心的距离；f_ai(i＝1,2,3,4,5,6)代表连续有界的加性故障；ξ_i(i＝1,2,3,4,5,6)代表外部干扰信号，ψ为偏航角，为滚转角，为无人机沿大地系x轴方向的加速度，为无人机沿大地系y轴方向的加速度，为无人机沿大地系z轴方向的加速度。

3.根据权利要求1或2所述的一种面向执行器故障的无人机容错飞行方法，其特征在于，步骤2中，首先对故障状态下的无人机非线性模型进行简化，根据简化后的无人机非线性模型建立故障观测器；

简化后的无人机非线性模型的表达式如下：

其中，[x₁,x₂]为系统的状态向量，f(x)，g(x)为连续微分方程，f_a代表连续有界的加性故障；ξ代表外部干扰信号,u为控制输入。

4.根据权利要求3所述的一种面向执行器故障的无人机容错飞行方法，其特征在于，所述故障观测器的表达式如下：

其中，v₁＝η₁sign(e₁)，v₂＝η₂sign(v₁)，v₃＝η₃sign(e₃)，而η₁，η₂，η₃为设计参数。