CN111338371B - 一种考虑机载陀螺故障的四旋翼姿态可靠控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑机载陀螺故障的四旋翼姿态可靠控制方法，涉及四旋翼姿态控制领域。首先，建立描述机载陀螺传感器故障的通用方程；其次，以四旋翼角速率故障信号为输出状态，建立考虑机载陀螺故障和环境干扰的四旋翼姿态模型；然后，设计基于相对阈值的事件触发函数，分别针对四旋翼姿态回路及角速度回路构造非周期信息更新的扩张状态观测器，实现机载资源约束条件下对于传感器突发故障、有界环境干扰的同时估计；最后，基于动态逆原理设计虚拟控制量和角速度实际控制方程，确保低机载资源开销下四旋翼姿态可以安全可靠控制。本发明使四旋翼系统在面对机载陀螺传感器性能退化时控制过程稳定、可靠；实现输出反馈意义下机载计算资源利用率显著提升。

Description

一种考虑机载陀螺故障的四旋翼姿态可靠控制方法

技术领域

本发明涉及四旋翼姿态控制领域，具体为一种考虑机载陀螺故障的四旋翼姿态可靠控制方法，主要应用于机载陀螺传感器故障、复杂未知干扰、机载资源受限条件下的四旋翼姿态可靠控制问题。

背景技术

四旋翼无人机作为现代科学技术的结晶，其本身具有低成本、无人员伤亡、结构简单、易于维护性、操作方便等诸多特点。且在诸多军事、民用场合发挥越来越大的作用，如对进入一些高风险的特殊地区进行实时监测，或近地目标进行针对性、稳定性的观测。然而，四旋翼无人机具有非线性、强耦合、欠驱动等特点，且在飞行过程中经常遭受未知的突发性的外界干扰如：强风、强降雨等。此外，四旋翼机载传感器不可避免遭受恒定漂移、慢变漂移、精度下降、效率损失等测量精度下降问题，上述传感器突发故障都会导致四旋翼控制系统失效或失稳。此外，为了提高对机载电池的利用率，需要保证四旋翼机载数据处理器、传感器、无线通信模块在数据传输过程的间隙采样特性。已有工作大多在机载传感器健康状态下开展四旋翼姿态控制研究，对于机载传感器的故障问题并未明确考虑。此外，已公开报道的四旋翼控制策略往往需要飞行状态周期性地采样、传输与处理，在执行高机动、快响应的轨迹跟踪以及动态避障等场景时会导致有限机载计算资源的过度消耗，严重制约四旋翼系统的滞空与任务执行效能。综上，迫切需要构建适应机载突发故障和机载计算资源约束下的四旋翼容错控制方法。

发明内容

本发明为了解决机载陀螺传感器故障、复杂未知干扰、机载资源受限条件下的四旋翼姿态可靠控制的问题，提供了一种考虑机载陀螺故障的四旋翼姿态可靠控制方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种考虑机载陀螺故障的四旋翼姿态可靠控制方法，包括如下步骤：

(1)建立描述机载陀螺传感器故障的通用方程，所述故障包括恒定漂移、慢变漂移、精度下降、效率损失；

首先，建立描述四种常见机载陀螺传感器故障的通用方程如下：

其中，X_ω,i,Y_ω,i(i＝1,2,3)分别表示在惯性坐标系中机载陀螺传感器故障前、后的角速度数据；t_f,i表示第i个机载陀螺传感器故障时刻；b_i,k(t)(k＝1,2,3)分别表示机载陀螺传感器由于恒定漂移、慢变漂移、精度下降所产生的未知误差；λ_i表示慢变漂移误差系数；κ_i表示机载陀螺传感器的效率损失因子，

表示机载陀螺传感器的最低效率损失因子；

在此基础上，对通用方程进行整理如下：

Y_ω,i(t)＝X_ω,i(t)+f_s,i(t) (2)

其中，

根据i的三个值，f_s,i(t)分别表示三个机载陀螺传感器的等效故障；

(2)在步骤(1)给出的机载陀螺传感器故障通用方程的基础上，以四旋翼角速率故障信号为输出状态，建立考虑机载陀螺故障和环境干扰的四旋翼姿态模型：

其中，Y_Θ＝[Y_Θ,1,Y_Θ,2,Y_Θ,3]^T和Y_ω＝[Y_ω,1,Y_ω,2,Y_ω,3]^T分别表示在惯性坐标系中考虑机载陀螺故障的四旋翼姿态角和角速度矢量；f_s＝[f_s,1,f_s,2,f_s,3]^T分别表示三个机载陀螺传感器的等效故障；

表示角速度回路的光滑非线性函数项，J＝diag(J_ω,1,J_ω,2,J_ω,3)表示正定的对角惯性矩阵，

表示阻尼矩阵；g_ω＝diag(l,l,c)，其中l，c分别代表电机到四旋翼质心的距离和力-力矩系数；U_ω＝[U_ω,1,U_ω,2,U_ω,3]^T表示四旋翼控制力矩信号；

分别表示三个角速度方向上的集总不确定度，其中d(t)＝[d_ω,1,d_ω,2,d_ω,3]^T分别表示三个角速度方向上的未知有界外界干扰，ΔΠ表示不确定阻尼矩阵，Δg_ω表示四旋翼参数不确定度；

(3)设计基于相对阈值的事件触发函数，分别针对四旋翼姿态回路及角速度回路构造非周期信息更新的扩张状态观测器，实现机载资源约束条件下对于传感器突发故障、有界环境干扰的同时估计：

首先，分别针对姿态回路和角速度回路设计基于相对阈值的事件触发函数如下：

其中，

分别表示经基于相对阈值的事件触发函数离散化后的姿态角、角速度数据；

分别表示姿态角、角速度回路基于相对阈值的事件触发函数的触发时刻；

和

分别表示姿态角、角速度回路数据离散化前后的偏差；δ_Θ,i和δ_ω,i表示相对阈值系数；m_Θ,i和m_ω,i表示相对阈值；

其次，分别针对姿态、角速度回路构造相对事件触发扩张状态观测器如下：

其中，

分别表示姿态角、角速度数据的估计值；

表示等效机载陀螺传感器故障估计值；

表示虚拟角速度指令；ω_Θ,i和ω_ω,i分别表示姿态角、角速度回路的观测器带宽；

表示集总不确定度的估计值；

(4)基于步骤(3)提供的集总干扰估计值，基于动态逆原理设计虚拟控制量和角速度实际控制方程，确保低机载资源开销下四旋翼姿态可以安全可靠控制：

首先，基于动态逆原理设计姿态角回路虚拟控制量：

其中，

表示四旋翼姿态角的目标指令；k_Θ,i表示姿态角回路的控制增益；

在此基础上，设计角速度的实际控制方程如下：

其中，k_ω,i(i＝1,2,3)表示角速度回路的控制增益。

本发明所提供的控制方法：首先，建立描述机载陀螺传感器故障(恒定漂移、慢变漂移、精度下降、效率损失)的通用方程；其次，以四旋翼角速率故障信号为输出状态，建立考虑机载陀螺故障和环境干扰的四旋翼姿态模型；然后，设计基于相对阈值的事件触发函数，分别针对四旋翼姿态回路及角速度回路构造非周期信息更新的扩张状态观测器，实现机载资源约束条件下对于传感器突发故障、有界环境干扰的同时估计；最后，基于动态逆原理设计虚拟控制量和角速度实际控制方程，确保低机载资源开销下四旋翼姿态可以安全可靠控制。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种考虑机载陀螺故障的四旋翼姿态可靠控制方法，所设计的方法在建立四旋翼姿态模型时，明确考虑机载陀螺传感器突发故障问题，使四旋翼系统在面对机载陀螺传感器性能退化时控制过程稳定、可靠；通过构造扩张状态观测器，可实现对复杂未知干扰及机载陀螺传感器突发故障的有效估计；引入基于相对阈值的事件触发函数，将连续高精度量测信号转换成离散信号，实现输出反馈意义下机载计算资源利用率显著提升。

附图说明

图1为本发明所提供的考虑机载陀螺故障的四旋翼姿态可靠控制方法的流程图。

图2为本发明所提供的考虑机载陀螺故障的四旋翼姿态可靠控制方法的控制结构框图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种考虑机载陀螺故障的四旋翼姿态可靠控制方法，包括如下步骤：

(1)建立描述机载陀螺传感器故障的通用方程，所述故障包括恒定漂移、慢变漂移、精度下降、效率损失；

首先，建立描述四种常见机载陀螺传感器故障的通用方程如下：

其中，X_ω,i,Y_ω,i(i＝1,2,3)分别表示在惯性坐标系中机载陀螺传感器故障前、后的角速度数据；t_f,i＝8s表示第i个机载陀螺传感器故障时刻；b_i,k(t)(k＝1,2,3)分别表示机载陀螺传感器由于恒定漂移、慢变漂移、精度下降所产生的未知误差，λ_i表示慢变漂移误差系数；其中b_i,1(t_f,i)＝1，λ_i＝0.2，b_i,3(t)为0-1之间的随机数；κ_i＝0.25表示机载陀螺传感器的效率损失因子，

表示机载陀螺传感器的最低效率损失因子；

在此基础上，对通用方程进行整理如下：

Y_ω,i(t)＝X_ω,i(t)+f_s,i(t) (2)

其中，

根据i的三个值，f_s,i(t)分别表示三个机载陀螺传感器的等效故障；

(2)在步骤(1)给出的机载陀螺传感器故障通用方程的基础上，以四旋翼角速率故障信号为输出状态，建立考虑机载陀螺故障和环境干扰的四旋翼姿态模型：

其中，Y_Θ＝[Y_Θ,1,Y_Θ,2,Y_Θ,3]^T和Y_ω＝[Y_ω,1,Y_ω,2,Y_ω,3]^T分别表示在惯性坐标系中考虑机载陀螺故障的四旋翼姿态角和角速度矢量；f_s＝[f_s,1,f_s,2,f_s,3]^T分别表示三个机载陀螺传感器的等效故障；

表示角速度回路的光滑非线性函数项，J＝diag(J_ω,1,J_ω,2,J_ω,3)＝diag(0.16,0.16,0.32)kgm²表示正定的对角惯性矩阵，

表示阻尼矩阵；g_ω＝diag(l,l,c)，其中l＝0.04m，c＝0.05分别是电机到四旋翼质心的距离和力-力矩系数；U_ω＝[U_ω,1,U_ω,2,U_ω,3]^T表示四旋翼控制力矩信号；

分别表示三个角速度方向上的集总不确定度，其中d(t)＝[d_ω,1,d_ω,2,d_ω,3]^T＝[0.2(sin(t)+sin(0.5t)),0.2(cos(0.5t)-cos(0.8t),0.2(sin(t)sin(0.5t)))]^T分别表示三个角速度方向上的未知有界外界干扰，ΔΠ＝[-0.00024,-0.00024,-0.00024]^T表示不确定阻尼矩阵，Δg_ω＝[0.08,0.08,0.01]^T表示四旋翼参数不确定度；定义四旋翼初始状态Y_Θ(0)＝[-4,0,-3]^Tdeg。

(3)设计基于相对阈值的事件触发函数，分别针对四旋翼姿态回路及角速度回路构造非周期信息更新的扩张状态观测器，实现机载资源约束条件下对于传感器突发故障、有界环境干扰的同时估计：

首先，分别针对姿态回路和角速度回路设计基于相对阈值的事件触发函数如下：

其中，

分别表示经基于相对阈值的事件触发函数离散化后的姿态角、角速度数据；

分别表示姿态角、角速度回路基于相对阈值的事件触发函数的触发时刻；

和

分别表示姿态角、角速度回路数据离散化前后的偏差；δ_Θ,i＝0.02和δ_ω,i＝0.03表示相对阈值系数；m_Θ,i＝0.0002和m_ω,i＝0.0003表示相对阈值；

其次，分别针对姿态、角速度回路构造相对事件触发扩张状态观测器如下：

其中，

分别表示姿态角、角速度数据的估计值；

表示等效机载陀螺传感器故障估计值；

表示虚拟角速度指令；ω_Θ,i＝15和ω_ω,i＝31分别表示姿态角、角速度回路的观测器带宽；

表示集总不确定度的估计值；

(4)基于步骤(3)提供的集总干扰估计值，基于动态逆原理设计虚拟控制量和角速度实际控制方程，确保低机载资源开销下四旋翼姿态可以安全可靠控制：

首先，基于动态逆原理设计姿态角回路虚拟控制量：

其中，

表示四旋翼姿态角的目标指令；k_Θ,i＝8表示姿态角回路的控制增益；

在此基础上，设计角速度的实际控制方程如下：

其中，k_ω,i(i＝1,2,3)＝15表示角速度回路的控制增益。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种考虑机载陀螺故障的四旋翼姿态可靠控制方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)建立描述机载陀螺传感器故障的通用方程，所述故障包括恒定漂移、慢变漂移、精度下降、效率损失；

首先，建立描述四种常见机载陀螺传感器故障的通用方程如下：

其中，X_ω,i,Y_ω,i(i＝1,2,3)分别表示在惯性坐标系中机载陀螺传感器故障前、后的角速度数据；t_f,i表示第i个机载陀螺传感器故障时刻；b_i,k(t)(k＝1,2,3)分别表示机载陀螺传感器由于恒定漂移、慢变漂移、精度下降所产生的未知误差；λ_i表示慢变漂移误差系数；κ_i表示机载陀螺传感器的效率损失因子，

表示机载陀螺传感器的最低效率损失因子；

在此基础上，对通用方程进行整理如下：

Y_ω,i(t)＝X_ω,i(t)+f_s,i(t) (2)

其中，

根据i的三个值，f_s,i(t)分别表示三个机载陀螺传感器的等效故障；

(2)在步骤(1)给出的机载陀螺传感器故障通用方程的基础上，以四旋翼角速率故障信号为输出状态，建立考虑机载陀螺故障和环境干扰的四旋翼姿态模型：

其中，Y_Θ＝[Y_Θ,1,Y_Θ,2,Y_Θ,3]^T和Y_ω＝[Y_ω,1,Y_ω,2,Y_ω,3]^T分别表示在惯性坐标系中考虑机载陀螺故障的四旋翼姿态角和角速度矢量；f_s＝[f_s,1,f_s,2,f_s,3]^T分别表示三个机载陀螺传感器的等效故障；

表示角速度回路的光滑非线性函数项，J＝diag(J_ω,1,J_ω,2,J_ω,3)表示正定的对角惯性矩阵，

表示阻尼矩阵；g_ω＝diag(l,l,c)，其中l，c分别代表电机到四旋翼质心的距离和力-力矩系数；U_ω＝[U_ω,1,U_ω,2,U_ω,3]^T表示四旋翼控制力矩信号；

分别表示三个角速度方向上的集总不确定度，其中d(t)＝[d_ω,1,d_ω,2,d_ω,3]^T分别表示三个角速度方向上的未知有界外界干扰，ΔΠ表示不确定阻尼矩阵，Δg_ω表示四旋翼参数不确定度；

(3)设计基于相对阈值的事件触发函数，分别针对四旋翼姿态回路及角速度回路构造非周期信息更新的扩张状态观测器，实现机载资源约束条件下对于传感器突发故障、有界环境干扰的同时估计：

首先，分别针对姿态回路和角速度回路设计基于相对阈值的事件触发函数如下：

其中，

分别表示经基于相对阈值的事件触发函数离散化后的姿态角、角速度数据；

分别表示姿态角、角速度回路基于相对阈值的事件触发函数的触发时刻；

和

分别表示姿态角、角速度回路数据离散化前后的偏差；δ_Θ,i和δ_ω,i表示相对阈值系数；m_Θ,i和m_ω,i表示相对阈值；

其次，分别针对姿态、角速度回路构造相对事件触发扩张状态观测器如下：

其中，

分别表示姿态角、角速度数据的估计值；

表示等效机载陀螺传感器故障估计值；

表示虚拟角速度指令；ω_Θ,i和ω_ω,i分别表示姿态角、角速度回路的观测器带宽；

表示集总不确定度的估计值；

(4)基于步骤(3)提供的集总干扰估计值，基于动态逆原理设计虚拟控制量和角速度实际控制方程，确保低机载资源开销下四旋翼姿态可以安全可靠控制：

首先，基于动态逆原理设计姿态角回路虚拟控制量：

其中，

表示四旋翼姿态角的目标指令；k_Θ,i表示姿态角回路的控制增益；

在此基础上，设计角速度的实际控制方程如下：

其中，k_ω,i(i＝1,2,3)表示角速度回路的控制增益。

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