[发明专利]一种基于故障诊断结果的X型四旋翼无人机控制方法

说明书

本发明公开了一种基于故障诊断结果的X型四旋翼无人机控制方法，其步骤包括：步骤一，建立X型四旋翼无人机的运动学模型；步骤二，进行位姿PID控制器设计；步骤三，建立执行机构故障模型；步骤四，进行PID控制器参数智能调节。本控制方法通过将PID控制器与强化学习调参技术相结合，在四旋翼无人机出现执行机构故障的情况下，基于强化学习，根据四旋翼无人机自身状态和故障诊断结果，对姿态控制和位置控制的PID控制参数自整定，实现了四旋翼无人机位姿系统的稳定控制，保证了四旋翼无人机位姿系统的可靠性和安全性，实现了位姿的到达与稳定，提高了其自主飞行的安全性。

技术领域

本发明涉及一种基于故障诊断结果的X型四旋翼无人机控制方法，属于无人机智能控制技术领域。

背景技术

随着人工智能技术的飞速发展，传统控制框架与人工智能相结合的技术在航空航天领域越来越受到重视。四旋翼无人机凭借其结构特点，可以通过更简单的控制方式飞行。但由于其四输入、六自由度的特性，系统具有非线性、欠驱动、强耦合等特点，是一种典型的不确定非线性系统，同时在控制系统设计时必须满足尽可能减少人员的干预，加强其抗干扰能力。

对于四旋翼无人机的位姿控制，常见的有PID控制方法、滑膜控制方法、反步控制方法、神经网络控制方法和模糊逻辑控制方法。这些方法能够实现位姿的稳定，但同时也存在以下局限性：1)在自主飞行的过程中，四旋翼无人机遭受系统崩溃等故障造成的打击是致命的，需加入故障容错控制系统来保证系统能够自发处理突发故障，但现有的控制方法中，控制器中控制增益的人工整定较为繁杂，阻碍了控制性能的提升，无法满足四旋翼无人系统自发处理突发故障的要求，自主飞行的安全性得不到保障；2)对于安全性要求很高的航空航天控制领域，现有的控制方法难以对系统预期功能进行精确的描述，并且缺乏对系统鲁棒性的保证。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于故障诊断结果的X型四旋翼无人机控制方法，该控制方法基于四旋翼无人机的故障诊断信息，将传统PID控制器与强化学习调参技术结合，保证四旋翼无人机位姿系统的可靠性和安全性，实现位姿的到达与稳定，提高其自主飞行的安全性，为系统鲁棒性提供保证。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于故障诊断结果的X型四旋翼无人机控制方法，包括如下步骤:

步骤一，建立X型四旋翼无人机的运动学模型,其具体形式如下：

其中，为滚转角，θ为俯仰角，ψ为偏航角，分别为三轴角加速度，分别为三轴角速度，分别为三轴线加速度，分别为三轴线速度，I_x,I_y,I_z为机身在x,y,z三个方向上的转动惯量，J_r为转动惯量，K₁,…,K₆为空气阻力系数，l为电机到质心的臂长，m为机身重量，g为重力加速度；U₁,…,U₄,Ω存在如下关系：

其中，U₁为总升力，U₂为滚转力矩，U₃为俯仰力矩，U₄为偏航力矩，b为升力系数，d为阻力系数，Ω₁,…,Ω₄分别为1至4号电机的转速；

步骤二，进行位姿PID控制器设计：

1)姿态控制回路为：

其中，k1...k9为姿态控制器参数，俯仰角误差滚转角误差e_θ＝θ_c-θ，偏航角误差e_ψ＝ψ_c-ψ，为目标姿态角，为当前姿态角，分别为三轴目标角加速度，分别为俯仰角误差速度、滚转角误差速度、偏航角误差速度；对应电机的转速表示如下：