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申请/专利权人：合肥工业大学

摘要：本发明涉及基于切换设计的四旋翼无人机容错控制方法，包括：构建满足四旋翼无人机带有连续执行机构故障情况下的非线性切换系统模型；基于观测残差生成的故障检测机制，设计故障诊断观测器和自适应故障诊断算法；构建系统的可控性协方差矩阵和可观性协方差矩阵，定义基于广义汉克尔奇异值的故障恢复能力参数，确定系统的故障可恢复性；对可恢复子系统，使用基于模型参考自适应方法的容错控制方法，融合基于模式相关的平均停留时间的切换容错控制方法，实现四旋翼无人机切换非线性系统的稳定。本发明能够保证提高四旋翼无人机对故障的应急反应和处理能力，有效减小故障对系统的影响，提高四旋翼无人机的自主性、可靠性和安全性。

主权项：1.基于切换设计的四旋翼无人机容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：构建四旋翼无人机故障情况下的动力学模型，构建惯性坐标系和机体坐标系，采用欧拉定理描述四旋翼无人机刚体的位移与旋转运动之间的关系，结合牛顿-欧拉法，从受力的角度对系统进行建模，构建满足四旋翼无人机带有连续执行机构故障情况下的非线性切换系统模型；S2：根据构建的四旋翼无人机带有连续执行机构故障情况下的非线性切换系统模型，设计基于模型的故障检测观测器和基于观测残差生成的故障检测机制，并设计故障诊断观测器和自适应故障诊断算法，以获取故障的精确估计结果；S3：通过故障的精确估计结果，设计四旋翼无人机系统故障可恢复性评价机制，构建系统的可控性协方差矩阵和可观性协方差矩阵，定义基于广义汉克尔奇异值的故障恢复能力参数，通过监测该值的变化，确定系统的故障可恢复性和不可恢复性的冗余度；具体过程包括以下步骤：S31：定义系统，可控性协方差矩阵： ；其中，为正常数，， 在脉冲输入下相对应的非线性系统状态响应，是在输入条件下的期望系统状态响应，是激励扰动方向矩阵的个数；是每个方向的不同激励扰动大小的个数；为标准单位向量的数量，是标准单位向量，为相应的正交矩阵，选择阶跃输入信号；S32：定义系统可观性协方差矩阵： ；其中，，是在初始条件系统状态下对应的系统输出，为系统的初始状态，是扰动后系统将达到的稳定输出状态；S33：定义基于广义汉克尔奇异值的故障恢复能力参数，设计四旋翼无人机系统故障可恢复性评价机制：将系统中的故障以参数形式进行建模和表示： ；其中，和分别是适当维度的系统状态、输入向量，为系统的时间，为故障参数；对于上述参数变化系统，可控性协方差矩阵和可观测性协方差矩阵的构造为 ；在发生故障时，故障恢复能力参数定义为：；其中，是矩阵的汉克尔奇异值；基于的故障评级机制设计如下： ；其中，为故障可恢复参数的上界，为故障可恢复参数的下界；S4：通过故障可恢复子系统，设计基于参考模型自适应容错控制，构建包含自适应反馈增益、自适应前馈增益和自适应故障补偿增益的自适应容错控制器以及设计自适应控制增益更新规律，实现对参考模型系统动态特性的准确跟踪，并有效的处理故障对四旋翼无人机的影响；S5：通过故障不可恢复子系统，设计基于模式相关的平均停留时间的切换容错控制方法，分别设计针对所有子系统均可容错，部分子系统不可容错，所有子系统均不可容错的情况，设计相应切换律，实现四旋翼无人机非线性切换系统全局一致渐近稳定。

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