一种基于切换自适应算法的四旋翼飞行器故障容错控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112114522A(43)申请公布日2020.12.22(21)申请号202011004934.4(22)申请日2020.09.22(71)申请人哈尔滨工业大学地址150001黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号(72)发明人袁帅张立宪蔡博张瑞先梁野(74)专利代理机构黑龙江立超同创知识产权代理有限责任公司23217代理人杨立超(51)Int.Cl.G05B13/04(2006.01)G06F17/16(2006.01)G06F17/13(2006.01)权利要求书2页说明书12页附图2页(54)发明名称一种基于切换自适应算法的四旋翼飞行器故障容错控制方法(57)摘要一种基于切换自适应算法的四旋翼飞行器故障容错控制方法，属于航空飞行器控制领域，用以解决在存在输入故障以及动力学参数未知的情况下，大机动四旋翼飞行器不能保证对期望信号良好跟踪的问题。该方法的技术要点包括构建包含未知输入故障和未知动力学参数的四旋翼飞行器分段仿射线性系统、参考系统、控制器；根据分段放射线性系统、参考系统、控制器获取误差系统模型；根据分段放射线性系统和参考系统设计基于驻留时间约束的切换信号；根据误差系统模型和切换信号获取控制器中控制参数的自适应律。本发明方法能够大机动四旋翼飞行器对期望信号良好的跟踪性能，可应用于四旋翼飞行器的飞行控制以保证其在输入故障和动力学参数未知情况下稳定飞行。CN112114522ACN112114522A权利要求书1/2页1.一种基于切换自适应算法的四旋翼飞行器故障容错控制方法，其特征在于，包括，步骤一、构建包含未知输入故障和未知动力学参数的四旋翼飞行器分段仿射线性系统，其中，分段表示将系统划分成多个子系统；步骤二、对于所述分段放射线性系统，构建参考系统，其中，参考系统中的每个参考子系统表示步骤一中对应的子系统的期望动态特性；步骤三、对于所述分段放射线性系统，构建状态输出反馈容错控制器，用以实时对四旋翼飞行器进行容错控制；步骤四、根据所述分段放射线性系统、所述参考系统、所述动态输出反馈容错控制器获取误差系统模型；步骤五、根据所述分段放射线性系统和所述参考系统设计基于驻留时间约束的切换信号；步骤六、根据所述误差系统模型和所述切换信号获取所述动态输出反馈容错控制器控制参数的自适应律，以使所述动态输出反馈容错控制器保证所述分段放射线性系统对所述参考系统的渐近跟踪。2.根据权利要求1所述一种基于切换自适应算法的四旋翼飞行器故障容错控制方法，其特征在于，步骤一的具体步骤包括，步骤一一、建立四旋翼飞行器姿态非线性动力学系统方程；步骤一二、将四旋翼飞行器姿态非线性动力学系统方程表示成由系统状态变量和控制器输入确定的系统方程，并将系统方程的工作空间划分成多个子空间；步骤一三、根据每个子空间中的平衡点构造系统方程的一阶泰勒展开式，获得系统方程的近似分段仿射系统方程；步骤一四、将故障输入信号代入所述近似分段仿射系统方程即获得包含未知输入故障和未知动力学参数的四旋翼飞行器分段仿射线性系统。3.根据权利要求2所述一种基于切换自适应算法的四旋翼飞行器故障容错控制方法，其特征在于，步骤一二中所述系统状态变量其中，为滚转角，为滚转角速度；θ为俯仰角，为俯仰角速度；ψ为偏航角，为偏航角速度；所述控制器输入u＝[Up，Uq，Ur，Ω]；所述系统方程表示为4.根据权利要求3所述一种基于切换自适应算法的四旋翼飞行器故障容错控制方法，其特征在于，步骤一四中获得的包含未知输入故障和未知动力学参数的四旋翼飞行器分段仿射线性系统为：其中，x表示系统状态变量；Ai、Bi表示未知系统动态矩阵；u表示控制器输入；表示未知输入故障；(x0i，u0i)表示平衡点；F表示未知输入故障模式，I为单位矩阵；i表示子系统。5.根据权利要求1-4中任一项所述一种基于切换自适应算法的四旋翼飞行器故障容错控制方法，其特征在于，步骤二中所述参考系统为：其中，xm为系统期望状态；r为参考信号；(Ami，Bmi)为已知矩阵，且Ami矩阵为赫尔维兹矩2CN112114522A权利要求书2/2页阵。6.根据权利要求1-4中任一项所述一种基于切换自适应算法的四旋翼飞行器故障容错控制方法，其特征在于，步骤三中所述动态输出反馈容错控制器为：其中，i表示子系统；M表示子系统数量；(x0i，u0i)表示平衡点；r表示参考信号；表示子系统是否被激活，或者0；Ki，Li，为控制参数，须满足以下匹配条件：其中，Ami表示已知的赫尔维兹矩阵；(Ai，Bi)表示未知系统动态矩阵；是Ki，Li，的名义控制参数。7.根据权利要求1-4中任一项所述一种基于切换自适应算法的四旋翼飞行器故障容错控制方法，其特征在于，步骤四中所述误差系统模型为：其中，e表示跟