[发明专利]一种基于自抗扰控制的飞行器容错控制结构与控制方法

说明书

本发明提供了一种基于自抗扰控制的飞行器容错控制结构与控制方法，属于飞行器容错控制技术领域。解决了四旋翼无人飞行器由于执行机构故障和传感器测量噪声导致的飞行不稳定或飞行事故的问题。其技术方案为：控制结构包括带执行机构故障描述的动力学模型、改进卡尔曼滤波模型、观测模型以及总控制模型；控制方法为：通过设计改进卡尔曼滤波模型用作预滤波级，实现在测量噪声环境下对执行机构故障系数以及飞行状态的估计。本发明的有益效果为：在有测量噪声情况下保证四旋翼无人飞行器能够快速准确地估计故障系数和实现容错控制，确保飞行任务安全和稳定。

技术领域

本发明涉及飞行系统容错控制领域，尤其涉及一种基于自抗扰控制的飞行器容错控制结构与控制方法。

背景技术

近年来，四旋翼无人飞行器由于结构相对简单、易于控制等特点使其在科学研究与生产生活方面有非常广泛的应用。科研人员对其进行了大量的研究，比如：四旋翼状态估计、四旋翼无人飞行器的姿态控制以及四旋翼无人飞行器的轨迹跟踪控制等。随着四旋翼的大量使用，控制方法的安全性和可靠性引起了极大的关注。

及时对故障进行监测能够帮助飞行器及时调整控制结构和参数，避免飞行器发生故障时造成人员受伤和财产损失。为了能及时发现四旋翼无人机所发生的故障并且保证故障发生后四旋翼无人飞行器的安全性与可靠性，相关专家在四旋翼无人飞行器的故障诊断与容错控制等领域做了大量研究，是飞行控制方向的热点问题。

目前国内部分四旋翼无人飞行器的飞控采用自抗扰控制算法，其优点在于可以有效估计模型的不确定性和外部扰动，调参过程简单且具有较好的飞行效果。自抗扰控制通过扩张状态观测器实现扰动的精确估计。但是，基于观测器的控制方法对测量噪声敏感，扩张状态观测器的带宽会因为测量噪声的大小而受到限制，从而导致扰动估计不准确。因此，如何提供一种对测量噪声不敏感的四旋翼无人飞行器容错控制方法是基于自抗扰控制的飞行控制器亟需解决的问题。

发明内容

本发明提供一种基于自抗扰控制的飞行器容错控制结构与控制方法，旨在对飞行器进行故障诊断与容错控制，并提升飞行控制器在噪声环境下的抗扰能力。

为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案具体为：一种基于自抗扰控制的飞行器容错控制结构，包括：

根据所述飞行器构建带执行机构故障描述的动力学模型、改进卡尔曼滤波模型、观测模型以及总控制模型；

根据带执行机构故障描述的四旋翼无人飞行器动力学模型搭建改进卡尔曼滤波模型，改进卡尔曼滤波模型用作预滤波级，计算观测模型中需要使用的状态信号，快速准确地估计出故障系数与系统状态；

所述改进卡尔曼滤波模型估计出的故障系数，输入到所述观测模型中，观测器对当前时刻改进卡尔曼滤波模型估计出的故障进行观测，并根据观测结果输出扰动估计值；

用所述改进卡尔曼滤波模型估计出的系统状态和故障系数b_k替换传统扩张状态观测器中的实际输出值和控制输入增益，以此提高观测模型在执行机构故障和测量噪声环境中的估计精度；

根据所述改进卡尔曼滤波模型估计出的故障系数b_k与系统状态以及观测模型观测输出设计所述总控制模型，所述总控制模型有六个回路：X、Y、Z三个位置回路以及俯仰角、偏航角和横滚角三个姿态回路，对每个回路都采用自抗扰控制器，根据故障系数b_k实时调整自抗扰控制器中的参数b₀；

所述总控制模型根据观测模型输出、改进卡尔曼滤波模型输出的故障系数估计值b_k和系统状态估计值计算出所述飞行控制指令U，并输入给所述带执行机构故障描述的四旋翼无人飞行器动力学模型以实现设定的飞行任务，保证在发生故障后及时进行容错控制，保证四旋翼无人飞行器的稳定飞行。

为了更好地实现上述发明目的，本发明还提供了一种基于自抗扰控制的飞行器容错控制结构的控制方法，具体包括如下步骤：