[发明专利]一种基于快速自适应技术的主动编队容错控制方法

说明书

本发明公开了一种基于快速自适应技术的主动编队容错控制方法，通过构建多智能体系统的连接图并得出分布式多智能体系统的拉普拉斯矩阵和领导跟随连通矩阵；针对存在非线性项的四旋翼飞行器模型，构建相应的观测器设计快速自适应故障估计器来预测故障的实际大小；构造局部增广系统误差动态方程和全局增广系统误差动态方程；构建Lyapunov函数，通过相应的理论推导得出计算控制器和故障估计器中参数的方法，使得系统在发生执行器故障和外部干扰的作用下完成编队控制的要求。本发明可在理论层面上彻底消除外界干扰对容错控制的不利影响，提升故障估计的性能，并实现四旋翼飞行器编队任何一个节点出现执行器故障或者多个节点同时出现执行器故障的容错控制。

技术领域

本发明属于多智能体系统技术领域，特别涉及一种基于快速自适应技术的主动编队容错控制方法。

背景技术

近些年，随着系统互联复杂化、任务模式协同化趋势的不断加深，基于多智能体系统(Multi-Agent Systems,MAS)技术的相关理论与应用研究逐步开展与完善起来，而与之密切相关的故障诊断理论与方法研究也愈发引人关注。多智能体系统自身特有的网络链接、自由分布、信息共享等优点，使得相关故障诊断系统可以以前所未有的姿态朝着“体大量多”的方向集成和互操作，同时子系统或者说单一智能体在网络化通讯层面上诊断信息的多样化交换和共享方式，也在极大程度上提升了复杂系统的诊断设计自由度和诊断结果准确性，从而有效地拓宽了容错控制方法的研究领域和适用范围。值得一提的是，面对日益复杂的网络化控制系统，基于多智能技术的容错控制方法相较于传统的以冗余设计或分立设计为核心的控制方法，兼有了更小通讯负载、更少资源消耗，且易于扩展、易于维护等特点。这些都将对网络化控制系统容错控制技术的发展与应用起到举足轻重的推动作用。

随着飞行控制系统的发展，需要多智能体协同完成任务的情况层出不穷，基于多智能体系统技术的研究也得到了越来越多的重视和研究。飞行控制系统的一项重要指标就是高可靠性，因为实际飞行过程中复杂的环境影响，在设计飞行控制系统时就要考虑到各种因外界因素引起的不确定性。一个理想的飞行控制系统应当完成如下设计目标：在飞机内部发生部件故障或者遭遇到外界影响发生意外损伤时，系统能够按照故障发生的性质和损伤的特性进行控制策略的应急改变。随着对无人机的研究逐步深化和对无人机的应用领域不断扩大，面对越来越复杂的环境，单个无人机存在的任务执行效率无法进一步提升、容错性较差、受能源和体积限制等问题逐步显露出来，因此，多无人机协同提高完成任务已成为必然趋势。在研究飞行器群的编队、协同等控制问题时，如果机群中的任何一架飞行器或多架飞行器自身发生了故障，且不能及时的进行处理，那么基于导航系统和各种传感器设备，通过飞行器之间的相关信息交互，很有可能会将单个飞行器故障的影响扩散的整个集群当中，该问题的解决对于集群控制是至关重要的。而本专利提出的基于快速自适应技术的飞行控制系统编队容错控制方法正是针对上述情况完成的研究，具有十分重要的理论研究价值和广阔的应用背景。

发明内容

发明目的：针对现有技术的问题，提供一种基于快速自适应技术的主动编队容错控制方法，借助快速自适应观测器来对故障进行预估，并利用观测器得到的状态信息来设计容错控制器，可在理论层面上彻底消除外界干扰对容错控制的不利影响，提升故障估计的性能，并实现四旋翼飞行器编队任何一个节点出现执行器故障或者多个节点同时出现执行器故障的容错控制。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供基于快速自适应技术的主动编队容错控制方法，包括如下步骤：

(1)构建多智能体系统的连接图并以有向图的形式表示，得出分布式多智能体系统的拉普拉斯矩阵L和领导跟随连通矩阵G；

(2)针对存在非线性项的四旋翼飞行器模型，设计一个相应的领导节点，并构建相应的观测器来观察每个智能体的状态变量并设计快速自适应故障估计器来预测故障的实际大小；

(3)针对有向通讯拓扑结构下的每个智能体，利用观测器的全局误差变量和故障估计值来设计相应的控制器，并构造局部增广系统误差动态方程和全局增广系统误差动态方程；