一种考虑动力多点退化的四旋翼无人机容错控制方法和无人机

本发明涉及四旋翼无人机姿态控制，尤其涉及一种考虑动力多点退化的四旋翼无人机容错控制方法和无人机。

背景技术：

1、四旋翼无人机是一种以四个电机为动力源，通过旋转螺旋桨产生升力和推力，实现飞行的无人驾驶飞行器，具有质量轻、体积小、机动性高等优点，被广泛应用于航拍、勘察、救援等领域。四旋翼无人机本身是一个欠驱动系统,具有多变量,强耦合,非线性及易受外界扰动等特点,其位置与姿态存在强耦合关系.在飞行过程中,由于执行器的高速旋转,使得其发生故障的几率增大,因此需要对执行器故障进行容错控制。

2、如中国发明专利申请（公开号：cn115327906a，公开日：2022-11-11）公开了一种四旋翼无人机故障容错控制器的设计方法及系统，该方法包括在考虑故障对转子产生影响的情况下，结合故障分布情况以及无人机的转子转速，构建用于反映无人机飞行状况的目标运动模型；设定随模型的控制输入变化而同步发生变化的相对阈值、以及固定阈值；结合事件触发特性，通过所述相对阈值、以及所述固定阈值调整模型的控制输入，以使得无人机的飞行轨迹趋近于预设的目标飞行轨迹；调整过程中，采用反步法递推设计出相应的虚拟控制律以及实际控制律，以使得模型趋近渐近稳定。

3、中国发明专利申请（公开号：cn116719226a，公开日：2023-09-08）公开了一种未知外部干扰下四旋翼无人机扰动抑制容错控制方法，包括：对四旋翼无人机进行建模，得到四旋翼无人机模型的状态空间表达式；针对四旋翼无人机的参考输入信号特征，设计四个pi控制器，通过四个pi控制器来跟输入信号特征，输出参考量；根据四旋翼无人机模型的状态空间表达式中包含的特征构造基于等价输入干扰方法的四个eid扰动补偿器，将所述参考量输入四个eid扰动补偿器，通过四个eid扰动补偿器对四旋翼无人机的总体扰动进行抑制。

4、本发明针对的是在四旋翼无人机实际飞行中，随着电机轴承使用时间增长，碰撞、环境因素等因素极易出现多个电机退化的情况，影响无人机的飞行安全。因此，准确分析无人机在旋翼多点退化下的动力学响应，并以此开展容错设计是无人机设计所必须正视的关键问题。目前，针对无人机的容错设计主要是针对单点旋翼失效下开展的硬件冗余设计，该方法虽然能提升无人机的容错能力，但也显著增加了无人机的成本和重量，并且该方法缺乏对多点退化下的定量描述，未从失效机理上给出旋翼退化对于系统动力学响应的影响，因此无法直接通过现有结构主动控制系统飞行姿态，保证无人机飞行安全。

技术实现思路

1、为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种考虑动力多点退化的四旋翼无人机容错控制方法，该方法通过实时、自主调控剩余动力单元的推力输出，确定维持飞行姿态稳定的最优推力组合，解决无人机因多个动力旋翼推力退化导致飞行姿态异常乃至无法满足飞行需求的问题，实现无人机姿态调整以及平稳落地。

2、为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

3、一种考虑动力多点退化的四旋翼无人机容错控制方法，该方法包括以下的步骤：

4、s1：读取旋翼退化状态，设定单个旋翼的健康系数以及推力最大值 t max，并以此构建四个旋翼的健康状态矩阵；

5、s2：代入旋翼健康状态矩阵，构建考虑动力退化的四旋翼无人机系统动力学模型；

6、s3：设定退化发生后容错控制介入时间 t1，计算无人机受动力多点退化影响持续 t1时间后的动力学响应 x deg( t1)，作为容错控制的初始状态；

7、 s4：提取x、y、z三个方向位移量的均方根值，以此计算加权平均下的rmse值，用来评估四旋翼无人机在持续 t1时间后的状态；

8、s5：定义推力增量，从四个旋翼当前可控的推力范围内选取各自的推力向量，从四个旋翼推力向量中各取一个元素形成推力候选组合，并通过枚举形成推力候选集；

9、s7：定义每次控制调节时间增量，将推力候选集中的各个组合分别代入步骤s2构建的系统动力学模型中，计算不同推力候选组合下无人机经历控制时间后的动力学响应，从中搜寻候选组合中rmse值最小对应的推力组合，作为该时间段内的最优推力组合；

10、s8：记录经历后的系统动力响应，作为下一阶段控制调节时间下动力学模型求解的初始状态，重新进入步骤s7，直至无人机恢复平稳运行或安全落地。

11、作为进一步改进，所述步骤s2中所述考虑动力退化的四旋翼无人机系统动力学模型表示为：

12、

13、式中：

14、为四旋翼无人机在x、y、z方向的位移；

15、为四旋翼无人机在x、y、z方向的速度；

16、为初始机体坐标的单位向量；

17、为机体角速度向量；

18、 g为重力加速度；

19、 m为无人机质量；

20、r eb为机体坐标转换到地面坐标的旋转矩阵；

21、为推力系数，为反力矩系数；

22、di为第 i个旋翼到机体重心的距离；

23、为各个旋翼的推力，；

24、为机体转向惯量矩阵。

25、作为进一步改进，，矩阵如下：

26、；

27、其中，为偏航角，为俯仰角，为滚转角。

28、作为进一步改进，所述步骤s4中位移量均方根值rms i可以表示为：

29、

30、式中：

31、为无人机在i方向上动力学响应的第j个位移量；

32、为无人机在i方向上动力学响应的均值，

33、；

34、n为求解得到的动力学响应数据的个数。

35、作为进一步改进，所述步骤s4中加权平均的rmse表示为：

36、

37、rms x、rms y、rms z分别为x、y、z三个方向位移量的均方根值。

38、进一步，本发明还提供了一种无人机的控制装置，包括： 飞行数据获取模块，用于获取旋翼无人机的飞行数据；

39、建模模块，用于构建考虑动力退化的四旋翼无人机系统动力学模型；

40、计算模块，用于实现上述方法中步骤s3-s5，获取最优推力组合；

41、调整模块，调整推力组合直至无人机恢复平稳运行或安全落地。

42、进一步，本发明还提供了一种无人机的控制系统，包括：一个或多个处理器，存储器，以及一个或多个程序，其中，所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述的方法。

43、进一步，本发明还提供了一种四旋翼无人机，所述四旋翼无人机包括：

44、一个或多个处理器和存储器；所述存储器与所述一个或多个处理器耦合，所述存储器用于存储计算机程序代码，所述计算机程序代码包括计算机指令，所述一个或多个处理器调用所述计算机指令以使得所述无人机执行上述的方法。

45、进一步，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，包括指令，当所述指令在无人机上运行时，使得所述无人机执行上述的方法。

46、本发明由于采用了上述的技术方案，考虑到了无人机因动力多点退化导致的飞行姿态失稳的问题，通过建立旋翼健康状态与系统动力学响应之间的物理模型，通过主动调节旋翼动力输出组合这类容错措施，在不增加硬件的前提下，能够有效调整飞行姿态，保障无人机平稳降落。本发明弥补了现有被动式容错方法未考虑多点退化这类故障场景的不足，同时避免了硬件冗余导致的体积和重量的增加，对于提高无人机飞行安全具有显著的效果。