复杂环境下四旋翼飞行器参数化故障检测与容错控制研究

Quad rotors are of a vertical take-off and landing, hovering and autonomous cruise capability.So they have a wide application in military and civil fields. It’s necessary to research the fault detection and tolerance control to improve the survival ability for quad rotors whose actuators (motor, rotor assembly)and sensors may fail in the process of the mission. The robust fault detection for the attitude control system of quad rotors is studied by parametric observers in the project. Firstly, a method is proposed ,which offers all design degrees of freedom for control systems, to design all kinds of parametric observers. Secondly, a linear state space model and failure models of four rotor’s sattitude control systems are established. Thirdly, the robust fault detection scheme and tolerant control scheme with modeling uncertainties or external disturbance are given based on the observer parameters results and proposed models. Finally, the simulation experiment will be done using the semi physical simulation platform of four rotosr to verify the effectiveness of the proposed theory.

具有垂直起降、稳定悬停和自主巡航能力的四旋翼飞行器，在军事和民事领域有着广阔的应用前景，但其执行机构(电机、旋翼组件)和传感器的数量较多，并且其飞行环境复杂，在执行任务过程中难免会发生故障，为提高其生存能力，研究四旋翼飞行器故障诊断与容错控制是很有必要的。本项目针对四旋翼飞行器的姿态控制系统，采用参数化观测器方法研究鲁棒故障检测与容错控制问题。首先，提出各类观测器的参数化设计方法，该方法为控制系统设计提供了全部自由度；其次，建立四旋翼飞行器的姿态控制系统的线性状态空间模型及四旋翼执行器及传感器的故障模型；然后，基于上述观测器参数化结果及所建立的模型，给出系统存在干扰以及不确定性下的鲁棒故障检测方案和容错控制策略；最后，利用四旋翼飞行器半实物仿真平台进行仿真实验，验证所提理论的有效性。

本项目主要研究四旋翼无人机在传感器发生故障时的控制问题，得出了下列重要结果:.(1)将鲁棒故障检测问题转化为含有约束的优化问题，从众多参数化解中挑选满足期望特征向量的最优控制器，以最大限度地降低不确定对状态估计精度的影响。.(2)针对四旋翼无人机在GPS信号失灵的情况下，提出使用板载传感器实现三维的同时定位与稠密重构，基于扩展卡尔曼滤波器实现了视觉－惯导的传感器融合，提高了系统的稳定性和精度。.(3)另一种方法将RGB-D相机作为视觉SLAM的传感器，进行自主精确定位，从精度和实时性两个方面对极性约束法，PnP法和ICP法进行了比较和分析，总结了每种方法的优缺点，有利于在不同条件下相机定位过程中选择算法。针对基于视觉特征的同时定位与地图构建（SLAM）系统在图像模糊、运动过快和特征缺失的情况下存在鲁棒性和精度急剧下降甚至失败的问题，提出了紧耦合的非线性优化的立体视觉－惯导 SLAM 系统。.(4)针对单个无人四旋翼飞行器某些传感器发生故障时，传输的信息不全面或无信息的情况，采用多个无人四旋翼编队完成任务。应用切换系统的思想，提出了基于状态切换的分布式多机器人编队控制算法。.(5)无人四旋翼飞行器在复杂环境中，通信噪声、通信延迟和测量误差等不确定因素不可避免，利用频域分析方法将系统的特征方程转化为纯虚特征值的二次多项式，得到了噪声条件下最大时滞的临界稳定状态。.在该项目的资助下，完成了学术论文16篇（其中SCI 1 篇，EI 8篇），还有3 篇在投稿状态；发明专利1项，实用新型专利2项，软件著作权 2 项；已培养硕士研究生 1 名。