[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

说明书

本发明提供的一种面向执行器故障的无人机容错飞行方法及飞行系统，首先构建执行器故障状态下的无人机非线性模型，然后在无人机非线性模型基础上设计故障观测器和反步容错控制模型，故障观测器对故障进行观测和重构，并且故障观测器能对无人机的外部干扰信号继续观测估计，在故障观测信号的基础上设计反步容错控制模型实现对无人机的轨迹和姿态的稳定控制，反步容错控制模型采用双回路控制结构，包括位置控制模型和姿态控制模型，其中外回路的位置控制模型根据期望的位置坐标信息产生期望的姿态滚转角和姿态俯仰角。而期望的姿态滚转角和姿态俯仰角信息将传入内环控制的姿态控制模型进行姿态角控制，实现无人机在故障状态的稳定飞行。

技术领域

本发明属于无人机控制技术领域，特别涉及一种面向执行器故障的无人机容错飞行方法及飞行系统。

背景技术

伴随着无人机在消费电子、环保执法、交通监控、电力巡检、军事侦查等领域的广泛应用，如何确保无人机在发生故障的时候依然能够保持稳定成为重要的研究热点，其中，由电机和桨叶构成的执行器的故障是所有故障中发生率最高的故障种类，由此导致无人机的飞行性能严重恶化甚至造成坠机等严重事故。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种面向执行器故障的无人机容错飞行方法及飞行系统，利用反步容错控制模型实现对轨迹和姿态的稳定控制，能够使无人机在故障状态稳定的飞行，避免无人机发生更加严重的事故。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种面向执行器故障的无人机容错飞行方法，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；

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；

所述姿态控制模块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。

优选的，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。

优选的，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。