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四旋翼无人机姿态系统的非线性容错控制设计

郝伟;鲜斌

【摘要】本文研究了四旋翼无人机执行器发生部分失效时的姿态控制问题.通过分

析其动力学特性,将执行器故障以乘性因子加入系统模型,得到执行器故障情况下四

旋翼无人机的姿态动力学模型.在同时存在未知外部扰动和执行器故障的情况下,设

计了一种基于自适应滑模控制的容错控制器.利用基于Lyapunov的分析方法证明

了所设计控制器的渐近稳定性.在四旋翼无人机实验平台上进行了实验,验证了该算

法对存在未知外部扰动和执行器部分失效时四旋翼无人机的姿态控制具有较好的鲁

棒性.

【期刊名称】《控制理论与应用》

【年(卷),期】2015(032)011

【总页数】7页(P1457-1463)

【关键词】四旋翼;无人机;执行器失效;容错;自适应控制;滑模控制

【作者】郝伟;鲜斌

【作者单位】天津大学电气与自动化工程学院,机器人与自主系统研究所,天津市过

程检测与控制重点实验室,天津300072;天津大学电气与自动化工程学院,机器人与

自主系统研究所,天津市过程检测与控制重点实验室,天津300072

【正文语种】中文

【中图分类】TP273

四旋翼无人机以其尺寸小、行动灵活、可垂直起降及定点悬停等特点在航拍、灾后

救援、农林种植等领域得到越来越广泛的应用[1].四旋翼无人机依靠4个电机的

转动带动螺旋桨旋转产生升力,通过改变不同电机的转速实现俯仰、滚转、偏航等

动作.受飞行器控制稳定性及自身工艺影响,电机和螺旋桨持续高速旋转使得其发

生故障的几率大大提高.四旋翼无人机是一个具有强耦合特性的典型非线性系统,

一旦发生上述故障,飞行稳定性就会急剧下降,甚至导致无人机失控.如何保证四

旋翼无人机在发生故障的情况下仍能得到有效控制,正成为四旋翼无人机领域的一

个热点问题.

四旋翼无人机常见故障通常包括执行器故障和传感器故障[2].其中执行器故障发

生频率更高、对四旋翼无人机性能影响更大,也更加难以解决.

针对四旋翼无人机执行器发生故障时的姿态控制问题,国内外多所高校进行了研究.

加拿大Concordia大学作为研究四旋翼无人机容错控制较早的单位,已取得较多

研究成果.文献[3]针对四旋翼无人机执行器发生故障的情况,采用线性二次型调

节器(linearquadraticregulator,LQR)控制飞行器姿态,分别采用模型参考

自适应(modelreferenceadaptivecontrol,MRAC)和变增益PID算法控制

飞行器位置.实际飞行实验表明前者方便实现,后者则具有更好的鲁棒性.文献[4]

基于滑模控制分别设计了主动和被动容错控制器,仿真和实验表明二者均能够很好

地实现容错控制,被动容错控制器对外部扰动鲁棒性较差,而主动容错控制器则需

要对故障进行实时检测.麻省理工大学的研究人员对四旋翼无人机螺旋桨发生断裂

时的位姿控制进行了研究,利用视觉捕捉系统vicon()实时提供飞行器的位置,

分别采用模型参考自适应(MRAC)和复合模型参考自适应(CMRAC)算法设计

了容错控制器.飞行实验表明,当四旋翼无人机某一螺旋桨发生断裂时,其仍能够

保持原有位姿飞行[5-6].阿联酋大学的研究人员主要针对基于故障诊断的主动容

错控制进行了研究.文献[7]利用非线性观测器根据四旋翼无人机的实际飞行数据

进行了有效的故障诊断.文献[8]采用Thau观测器对故障进行估计,根据所估计

故障类型进行故障补偿,并进行了仿真验证.南京航空航天大学的研究人员同样应

用多种控制算法对四旋翼无人机的容错控制进行了探索.文献[9]提出了一种基于

量子逻辑和简单自适应控制的故障重构机制;文献[10]提出一种基于自适应滑

模控制的姿态控制系统,可使四旋翼无人机应对舵面突发故障和外界干扰,而无需

进行故障辨识,具有一定直接自修复能力.文献[9]和文献[10]均在3DOF平

台上验证了所提算法的有效性.北京航空航天大学的研究人员主要针对多旋翼无人

机发生故障时姿态系统的可控性进行了研究,并从理论上证明了当六旋翼无人机某

一电机停转时,俯仰和滚转通道仍然可控.飞行实验表明一个电机停转时可利用遥

控器使飞行器安全着陆[11].

综上所述,近年来四旋翼无人机容错控制研究成果显著,但是很多方法仍存在局限

性.例如,文献[3]和文献[5]等均只考虑了系统在平衡点处的性能,当无人机

偏离

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