科学家研发了一种自适应观测器,可用于无人机四旋翼的故障检测!

   电子分析员        

本文旨在提出一种单转子失效情况下四旋翼飞行控制策略,该控制策略由故障检测和容错控制两阶段组成。研究人员提出了一种基于双观测器的FD和故障估计策略。结合两种观测者的结果,就可以区分断层是真的发生了,还是观测到的异常是由外部干扰引起的决策。根据FD结果,提出了正常飞行和异常飞行的控制策略。FTC考虑了一种实时坐标变换方案,以操纵四旋翼的目标角度,使其遵循规定的轨迹。当转子发生故障时,双观察者会检测到故障,然后启动FTC使系统稳定,使轨迹跟踪任务仍然可以完成。在此基础上,研究人员进一步整合了滑模控制(SMC)理论,以实现外风扰动下的鲁棒飞行。仿真结果表明了该方法的有效性和可行性。


相关论文以题为“Adaptive Observer-Based Fault Detection and Fault-Tolerant Control of Quadrotors under Rotor Failure Conditions”发表在《Applied Sciences》上。




四旋翼飞行器广泛应用于农业、货运、监视、航拍、军事、环境监测等领域。这明显地表明,四旋翼飞行器的飞行面积逐渐覆盖了人们生活的大部分地区。因此,飞行区域下人员的安全问题现在是一个令人关注和重要的问题。为了保证四旋翼的飞行安全和飞行区域下或附近人员的安全,在四旋翼发生故障时,必须采取适当的现场安全策略,如容错控制。


与以往的研究不同,本文提出了一种基于双观测器的FD和故障估计策略。主要目标是稳定和控制四旋翼受一个转子的总损失。此外,结合两个观测者的残差,决策过程可以区分故障是否实际发生,或异常是由外部干扰引起的。提出的四旋翼FTC进一步为应对飞行过程中的潜在风险提供了一种可行的方法。在基于模型的直接投资方案中,四旋翼的故障将由一个非线性观测器和一个自适应观测器的组合来检测,这将提高FD结果的灵敏度和准确性。因此,通过两个观察者产生的信号,可以隔离真实的转子故障,从而激活FTC法。最后,通过仿真验证了单转子失效情况下飞行控制的可行性。


四旋翼的配置


在本文中,车辆的坐标设置为东北-东向(NED)定义的笛卡尔坐标。四旋翼的交点记为C.G.,它也是机体固定架的原点。此外,四旋翼的头沿x轴方向如图1所示。请注意,螺旋桨的颜色带有不同的含义——红色的螺旋桨被设置为头的同一侧,而黑色的螺旋桨被设置为四旋翼的尾侧。研究人员假设四旋翼在横截面上是对称的,螺旋桨与机体固定架原点的距离为ll和lw,如图1所示。螺旋桨的推力是朝上,表示为fi,和每个螺旋桨被定义为的角速度ωπ如图2所示,在那里我表示第i个螺旋桨。



图1.Quad-rotor维度的假设。




图2.四旋翼的定义:(a)推力方向;(b)螺旋桨的旋转方向。


控制器设计


在失去单个转子时,所施加的转矩不能再实现普通的定向控制,这个具体的场景可以看作是一个简化的姿态稳定问题。为了在转子失效条件下保持飞行稳定性,需要确定偏航动力学控制力。同时,由于偏航动力学中没有施加控制力,可能会产生意想不到的偏航运动,从而导致不正确的控制转矩矢量。因此,本文的飞行控制器由两部分组成——基于坐标变换的外环控制器和内环稳定控制器,如图3所示。



图3.容错控制策略。


故障检测结果


图4给出了基于残差的故障检测的详细信号处理。不考虑偏航余量,因为它对效率损失或转子失效引起的非预期偏航运动很敏感。在研究人员的案例中,轻微的LOE并不属于执行器故障,因为在这种情况下四旋翼仍然有能力完成飞行任务。



图4.基于残差的故障检测过程流程图。


在图5中,检测到故障在4.12秒时将发生在3.9年代,当蓝色和黑色线条分别代表鲁伊和rℓ。反应时间约为0.22 s,参数设置如表2所示。在得到结果后,对故障信号进行移动平均滤波。



图5.故障检测的残余响应。


结论


研究人员提出了一种针对单转子故障的四旋翼飞行控制策略。在这种情况下,研制的飞行策略分为正常和异常两种控制模式。因此,故障检测方案,包括用于确定当前飞行状态的故障检测和估计,在研究人员的FTC策略中起着重要的作用。为了防止执行机构故障的错误判断导致错误报警,该算法不仅确定了故障报警,而且提供了故障确认机制,提高了故障决策过程的可信度。另一方面,为了提供外风摄动条件下的鲁棒飞行控制,研究了滑模控制理论。最重要的是,针对无人机飞行中出现的转子故障,研究人员提出了一种基于坐标变换的实时控制方案。该方法不仅能保证旋转运动下的稳定飞行,而且能完成规定的飞行任务。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/10/3503/htm



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