[发明专利]一种仿生扑翼飞行器的扑翼与执行机构故障容错控制方法

说明书

本发明公开了一种仿生扑翼飞行器的扑翼与执行机构故障容错控制方法，包括步骤1：建立适用于容错控制的故障模型；步骤2：非匹配与匹配干扰估计与抑制；步骤3：扑翼与执行机构容错控制策略；步骤4：抗干扰高阶滑模容错控制器设计。本发明首次提出基于扑翼及执行机构的容错控制新的控制方法，基于高阶滑模方法及联合干扰估计技术及自适应控制策略，提出了一种高抗扰、很好故障容忍及强鲁棒的新型控制策略。

技术领域

本发明涉及仿生机器人控制领域，特别涉及一种仿生扑翼飞行器的扑翼与执行机构故障容错控制方法。

背景技术

仿生扑翼飞行器是目前国内外研究的热门方向。然而，由于飞行时采用机翼上下扑动这种特殊方式，相较于固定翼或旋翼机，其空气动力学特性有显著区别，因此飞行控制模式也有显著不同，不能直接套用现有常规飞行器的飞行控制方法，需要研发一套适用于小型扑翼飞行器的新的飞行控制方法。然而，国内外绝大多数研制的仿生扑翼飞行器尚处于初始阶段，只能初步实现一些简单的飞行动作，不管是在飞行灵活性还是飞行性能上，距离真实的鸟类或昆虫还相差较远。扑翼飞行器的研发涉及多学科知识，而飞行控制是其核心及关键所在。

针对小型仿生扑翼飞行器的高性能飞行控制，现在依然是个开放性科学问题，现有的控制方法还存在明显不足，无法有效满足实际的飞行需求，需要进一步深入研究。本发明针对具有复杂未知气动特性及外界干扰以及扑翼损坏及执行机构故障等严重影响控制性能的几个关键因素，基于高阶滑模理论，协同干扰抑制与容错控制策略，设计抗干扰高阶滑模容错控制器，实现小型仿生扑翼飞行器高性能飞行控制，以期为该问题找到有效解决方案。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供针对实际飞行时扑翼飞行器不可避免地同时存在不确定干扰及故障问题，探索不确定干扰估计与抑制新方法，构建容错控制新策略，研究基于高阶滑模理论设计主控制器，并将干扰抑制方法与容错控制理论有机协同，与主控制器深度融合设计具有高抗扰及强容错能力的复合控制器，达到同时抑制各种干扰及容忍各类故障的高性能控制，突破目前针对扑翼飞行器飞行控制是基于控制方法本身的鲁棒性容忍不确定干扰及组件故障这类主流方法的局限性。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种仿生扑翼飞行器的扑翼与执行机构故障容错控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立适用于容错控制的故障模型；

步骤2：非匹配与匹配干扰估计与抑制；

步骤3：扑翼与执行机构容错控制策略；

步骤4：抗干扰高阶滑模容错控制器设计。

进一步的，步骤1包括如下步骤：

仿生扑翼飞行器的模型具有强非线性，强耦合，气动参数具有很大不确定性，难于建立精确模型，因此，可将这些未建模项当成额外的力与力矩处理，基于扑翼及执行机构故障分析，同时考虑翼损失引起的质量、重心及转动惯量等的改变，最终可建立如下完整6自由度故障模型：

其中，Pⁿ为惯性系中飞行器的位置向量，V^b为体系中的速度向量，Φ及ω为姿态及角速度向量，为体系到导航系的变换矩阵，m_total及J_total为标称质量及转动惯量，E(Φ)为姿态更新变换矩阵，及分别为含有故障的力与力矩，g为重量加速度，Δm_w及ΔJ_w分别为翼损失引起的质量及转动惯量变化量，及分别表示未建模气动力及力矩总和；