多旋翼无人机的容错控制技术分析.pdf

36 集成电路应用 第 40 卷 第 7 期（总第 358 期）2023 年 7 月 Research and Design 研究与设计摘要：阐述多旋翼无人机系统中的故障原因，包括传感器故障、执行器故障、飞行故障，探讨容错控制技术，传感器故障的类型与检测方法、容错控制设计。关键词：控制技术，传感器故障，多旋翼无人机，主动容错控制。中图分类号：TN713，TP13，TP212 文章编号：1674-2583(2023)07-0036-02DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.07.014文献引用格式：税歆.多旋翼无人机的容错控制技术分析J.集成电路应用,2023,40(07):36-37.2.2 主动容错控制方法针对飞行故障的主动容错控制方法。飞行故障是指多旋翼系统各环节均未出现故障时，由于环境因素导致多旋翼失控，通常是因强风导致多旋翼失控。代波等人1用加速度反馈对多旋翼原本控制器进行增强，使其对持续风和阵风扰动均有很好的抑制能力。通常多旋翼使用无刷电机作为动力单元，因此可以利用控制多旋翼的某几个电机进行反转，从而使多旋翼翻转。针对执行器故障的主动容错控制方法。通常执行器故障按照其严重程度可分为完全失效与部分失效：完全失效是指多旋翼的电机不响应控制器输出油门或电机正常响应但螺旋桨桨叶完全损坏，最终现象是该执行器不能提供所需动力；部分失效是指多旋翼的电机对控制器响应不正确等，最终现象是该执行器只能提供部分动力。0 引言无人机经常由于自身故障而无法正常运行，所以不仅要求现代飞行控制器具备准确性、实时性等性能指标，对可靠性的要求也越来越高，而故障检测与容错控制技术是提高系统可靠性的有效途径。1 研究背景容错控制主要分为两类，被动容错控制与主动容错控制。相比于被动容错控制，主动容错控制在故障前后性能都优于被动容错控制，在设计方法上更为灵活而且主动容错控制应用价值更高。本文将按照故障发生环节，分别从传感器故障、执行器故障、以及飞行故障这三方面对多旋翼无人机系统的主动容错控制技术进行归纳与总结。重点讨论了传感器故障的容错控制问题，并探讨存在的问题与未来的发展趋势。2 主动容错控制方法 2.1 主动容错控制 主动容错控制是通过FDD模块检测系统故障，根据故障信息，调整控制器的结构或参数，从而实现对故障情形的处理。最终系统按照原定性能指标或以损失部分性能指标为代价，安全完成预定的任务。通常包括三方面：FDD模块、重组或重构控制器、容错控制器性能评估。系统结构如图1所示。多旋翼无人机的容错控制技术分析税歆（沈阳工学院，辽宁 113122）Abstract This paper describes the causes of faults in multi rotor unmanned aerial vehicle systems,including sensor faults,actuator faults,and flight faults.It explores fault-tolerant control techniques,types and detection methods of sensor faults,and fault-tolerant control design.Index Terms control technology,sensor failure,multi-rotor unmanned aerial vehicle,active fault-tolerant control.Analysis of Fault-tolerant Control Technology for Multi-rotor UAVSHUI Xin(Shenyang Institute of Technology,Liaoning 113122,China.)作者简介：税歆，沈阳工学院；研究方向：计算机与控制技术。收稿日期：2022-11-14；修回日期：2023-06-23。图1 主动容错控制结构图 集成电路应用 第 40 卷 第 7 期（总第 358 期）2023 年 7 月 37Research and Design 研究与设计针对执行器完全失效的情形，当六旋翼系统中的一个或两个执行器发生故障后，其余的执行器若能够组成一个四旋翼布局，则多旋翼系统仍然可控。针对执行部分失效的情形，根据故障信息与模型知识对控制分配矩阵进行调整，减少故障电机使用与多旋翼布局的重构，达到容错目的2。针对传感器故障的主动容错控制方法。多旋翼控制系统中最重要的是测量变送环节。多旋翼系统虽具有冗余的执行单元，但是若执行单元的传感器发生故障，将导致执行器的故障检测结果是不准确的，若在此基础上对执行器进行容错控制，则会导致故障加深。因此应针对传感器故障类型、传感器故障检测方法、以及传感器故障容错控制设计分别进行说明。（1）传感器故障类型及检测方法。传感器故障按数据表现可分为五类：卡死，漂移，偏移，高噪声，零散异常值。主动容错控制的实现通常依赖于故障检测，根据是否依赖于模型分为两类：依赖于模型的数学方法，有很多但在这里只对卡尔曼滤波器和神经网络方法进行介绍3。有部分学者对传感器故障进行建模，并设计相应的自适应模糊控制器，此方法不依赖于故障检测，但由于对控制率进行改变且仍需判断故障，所以也将该方法归类到主动容错控制中4-6。建立四种传感器故障模型通过仿真说明当预定的四种传感器故障发生时，容错控制仍能保证多旋翼系统有较好的控制性能，失效故障即为卡死故障，而精度下降故障通常起因是传感器噪声升高而对测量数值产生随机扰动。此外，针对无人机传感器故障诊断与容错控制的研究，多位学者均选择了姿态相关传感器。在航空飞机主动容错控制研究中，很多学者针对多传感器系统提出了关键传感器的概念，认为容错控制应优先关键传感器。多旋翼系统是典型的多传感器系统，所以基于多旋翼系统研究针对传感器故障的主动容错控制，通常是对IMU传感器进行故障检测。（2）传感器故障容错控制设计。针对传感器故障容错控制设计思路主要分为两类：一类是对故障传感器本身进行重构；另一类则是对控制器重组或重构，针对故障情形设计相应的控制器。两种思路的区别在于是否改变原控制流程，但是两种思路不完全对立，可以结合传感器的故障程度来选择。建立观测器对系统已有的扰动进行估计，对系统建立多个降维鲁棒观测器来隔离并重构传感器故障。对多个导航相关传感器使用信息滤波融合相对惯导信息的方法，提高导航容错性的同时，并提升各传感器无故障情形的测量精度。传感器故障重构方法可分为两类：（1）软件冗余，即当传感器故障时，使用观测器估计误差并进行数值补偿；（2）硬件冗余，即当某个测量指标相关的几个传感器中，其中一个出现故障时，系统依然可利用其他传感器对该测量指标进行计算。容错控制器的设计相比原始控制器较为保守，通常采用基于模糊理论或鲁棒理论设计容错控制器。所以，无论采用何种方法，均要求控制器对故障与干扰不敏感，这也是多数容错控制基于上述两种理论的原因。3 结语目前较多的研究是针对无人机执行器故障的主动容错研究，执行器故障检测依赖于传感器测量，一旦传感器发生故障，将导致执行器故障检测结果出错。无人机所用传感器是依赖电路板工作的集成芯片，极易受到温湿度、电磁环境等干扰，相比于执行器更易发生故障，尤其是高噪声故障。主动容错控制与被动容错控制技术最主要的差别是对故障是否进行甄别，但实际设计思路类似，均令系统在故障发生时对故障不敏感，可参照被动容错控制器的设计方法。在主动容错控制中，应需要根据故障程度判断是否切换控制器。通常硬件冗余较软件冗余有着更高的可信度。（1）多旋翼在设计时，对于关键传感器可使用两套不同品牌的器件；（2）通过相应的算法，使用其他传感器进行失效传感器的状态估计，例如采用视觉进行姿态估计。多旋翼系统中的姿态环控制器通常以200Hz或更高频率运行，当多旋翼出现故障时要尽可能快的检出故障，否则在容错生效前可能多旋翼已经失事。另外由于故障的不确定性，容错控制器可以考虑输出限幅，进一步保证故障发生时系统稳定性。主动容错控制中还需要考虑故障的非永久性，例如电磁干扰所导致的高噪声，当干扰消失时，系统应切换回正常工作状态。参考文献1 代波,何玉庆,谷丰等.基于加速度反馈增强的旋翼无人机抗风扰控制J.机器人,2020,42(01):79-88.2 杨斌先,杜光勋,全权等.可控度及其在六旋翼飞行器中的应用J.新型工业化,2013,3(03):67-75.3 尹雄东.四旋翼无人机主动容错控制方法研究D.甘肃：兰州理工大学,2019.4 罗鑫辉,戴邵武,戴洪德.基于改进自适应卡尔曼滤波的容错控制J.信息与控制,2020,49(01):122-128.5JianglinLan,RonJ.Patton.Anewstrategyfor integration of fault estimationwithin fault-tolerant controlJ.Automatica,2016.6 张柯,姜斌.基于故障诊断观测器的输出反馈容错控制设计J.自动化学报,2010,36(02):274-281.