基于模糊增益滑模四旋翼无人机自适应容错控制

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.02.008

摘要/Abstract

摘要：

针对四旋翼无人机执行器故障下的轨迹跟踪问题，提出一种基于模糊增益滑模的自适应容错控制方法.首先，针对直接控制通道利用自适应机构在线估计执行器故障并加以补偿，采用基于模糊增益的滑模控制器设计可调控制器以满足鲁棒性要求.针对间接驱动通道设计基于模糊增益的滑模控制器，从而实现无人机全通道的容错控制设计，该方法具有良好的容错能力的同时，能很好地抑制系统颤振，获得平滑的控制信号.最后，对四旋翼无人机在不同控制器下的轨迹追踪性能进行了对比仿真，结果表明，系统在故障以及扰动下具有良好的飞行性能.

关键词: 四旋翼无人机, 执行器故障, 模糊控制, 自适应控制, 容错控制

Abstract:

Aiming at the trajectory tracking task of quadrotor UAV under actuator malfunction， an adaptive fault-tolerant control method based on fuzzy gain sliding mode is proposed. Firstly， for the direct control channel， the adaptive mechanism is used to estimate and compensate for actuator faults and the sliding mode controller based on fuzzy gain is used to design the adjustable controller to meet the requirements of robustness. For the indirect drive channel， the sliding mode controller based on fuzzy gain is designed to achieve control of the UAV. This method has good fault-tolerant ability and it can suppress the system chatter and obtain smooth control signals. Finally， the tracking performance of the quadrotor UAV under different controllers is compared and simulated and the results show that the system has good flight performance in the presence of fault and interference.

Key words: quadrotor UAV, actuator failure, fuzzy control, adaptive control, fault-tolerant control

中图分类号:

U 666.1

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图/表 9

图1 地面坐标系与机体坐标系

Fig. 1 Ground coordinate system and body coordinate system

图2 控制器结构

Fig. 2 Controller structure

表1 四旋翼无人机物理参数

Table 1 Physical parameters of quadrotor UAV

参数	数值	单位
l	0.275	m
m	1.5	kg
g	9.81	m/s²
I_x	3.259×10^-2	kg·m²
I_y	3.259×10^-2	kg·m²
I_z	6.059×10^-2	kg·m²

表2 控制参数

Table 2 Control parameters

参数	符号	数值
指数趋近律增益	$c 1, c 2, c 3, c 4, c 5, c 6$	$2,2, 2,2, 1,1$
滑模面增益	$k 1, k 2, k 3, k 4, k 5, k 6$	$5,5, 5,5, 2,2$
自适应增益	$γ 1, γ 2, γ 3, γ 4$	$0.2,50,50,50$

表2 控制参数

Table 2 Control parameters

参数	符号	数值
指数趋近律增益	$c 1, c 2, c 3, c 4, c 5, c 6$	$2,2, 2,2, 1,1$
滑模面增益	$k 1, k 2, k 3, k 4, k 5, k 6$	$5,5, 5,5, 2,2$
自适应增益	$γ 1, γ 2, γ 3, γ 4$	$0.2,50,50,50$

图3 轨迹追踪效果对比图

Fig. 3 Comparison of trajectory tracking effect

图4 姿态角追踪效果对比图（a）～（c）—反步法控制；（d）～（f）—模糊增益滑模自适应容错控制.

Fig. 4 Comparison of attitude tracking effect

图5 轨迹追踪效果对比图

Fig. 5 Comparison of trajectory tracking effect

图6 姿态角追踪效果对比图（a）～（c）—自适应滑模容错控制；（d）～（f）—模糊增益滑模自适应容错控制.

Fig. 6 Comparison of attitude tracking effect

图7 控制输入效果对比图(a)—U1； (b)—U2； (c)—U3； (d)—U4.

Fig. 7 Comparison of control inputs effect

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