基于预设性能的无人机容错控制方法、装置、终端及介质

本申请涉及无人机，尤其涉及一种基于预设性能的无人机容错控制方法、装置、终端及介质。

背景技术：

1、无人机，又称无人驾驶飞机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作，以较常见的四旋翼无人机为例，这类无人机可以垂直起降，具有卓越的机动性，能够在复杂环境下迅速改变方向，且机械结构简单，在操作和维护方面便捷，具备较高的系统可靠性；有效载荷能力出众，能够携带大量的传感器或负载等。故而四旋翼无人机被广泛应用于军用民用领域，例如在民用领域中航拍和摄影、基础设施勘探和监测、搜索救援与灾害响应、农药喷洒和森林管理、电力线巡检和通信中继等。

2、为实现四旋翼无人机的自主飞行和高可靠性，准确控制无人机位姿，保证飞行姿态快速响应并处于稳定状态是关键，然而在实际应用中，无人机在在复杂环境中执行任务时，容易受暴雨狂风等恶劣环境因素影响，当出现有执行机构完全失效的情况时，现有的容错控制方式难以保持有效的稳定性。

技术实现思路

1、本申请提供了一种基于预设性能的无人机容错控制方法、装置、终端及介质，用于解决现有的无人机容错控制在出现有执行机构完全失效的控制稳定性差的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本申请第一方面提供了一种基于预设性能的无人机容错控制方法，包括：

3、获取无人机的实时运行参数和控制目标数据，所述控制目标数据包括：期望轨迹，所述实时运行参数包括：无人机质心在惯性坐标系中的位置坐标、姿态欧拉角、位移速度和旋转速度；

4、当检测到所述无人机任意一个执行机构失效时，根据控制目标数据与实时运行参数的偏差，通过pid外环控制逻辑和预设的期望加速度计算式，得到期望加速度，再根据所述期望加速度，确定所述无人机当前的期望升力方向参数；

5、以所述期望升力方向参数与实际升力方向参数的偏差作为系统跟踪误差，当所述跟踪误差未满足预设的稳定性阈值条件时，则根据所述期望加速度和干扰观测器的输出，结合预设的控制律参数计算式和基于预设性能控制的终端滑模面控制模型，分别确定所述无人机的控制律参数，以根据所述控制律参数与pid内环控制逻辑调整所述无人机的飞行状态，直至所述无人机调整后的实际升力方向参数与所述期望升力方向参数的偏差满足预设的稳定性阈值条件为止。

6、优选地，所述滑模面控制模型具体为：

7、

8、式中，为滑模面向量，为系统跟踪误差，为所述系统跟踪误差的一阶微分，、为预设性能控制逻辑的性能函数，为性能函数的一阶导数，为性能函数的一阶导数。

9、优选地，所述干扰观测器的公式具体为：

10、

11、式中，为所述干扰观测器的输出，且均为正常数，为转动惯量矩阵，为无人机旋转速度矩阵，为四旋翼无人机的合总外力矩矩阵，均为优化参数。

12、优选地，所述期望加速度计算式具体为：

13、

14、式中，为所述期望加速度，为所述期望轨迹，为所述位置坐标，分别是比例项增益、微分项增益与积分项增益，为位移速度。

15、优选地，所述控制律参数具体包括：滚转角控制律参数、俯仰角控制律参数和升力控制律参数。

16、优选地，所述控制目标数据还包括：期望偏航角；

17、当检测到所述无人机的执行机构均正常时，所述控制律参数还包括：偏航角控制律参数。

18、优选地，所述控制律参数计算式具体包括：

19、

20、式中，为滚转角控制律参数，为俯仰角控制律参数，为偏航角控制律参数，为升力控制律参数，为无人机的质量，为重力加速，为滚转角，为俯仰角，为偏航角，为期望偏航角，、、分别为转动惯量矩阵中的x轴、y轴和z轴分量，、、分别为无人机旋转速度矩阵中的中的x轴、y轴和z轴分量，为正常数，分别为实际升力方向参数的x轴、y轴和z轴分量，均为优化参数。

21、同时，本申请第二方面提供了一种基于预设性能的无人机容错控制装置，包括：

22、控制数据获取单元，用于获取无人机的实时运行参数和控制目标数据，所述控制目标数据包括：期望轨迹，所述实时运行参数包括：无人机质心在惯性坐标系中的位置坐标、姿态欧拉角、位移速度和旋转速度；

23、期望升力方向确定单元，用于当检测到所述无人机任意一个执行机构失效时，根据控制目标数据与实时运行参数的偏差，通过pid外环控制逻辑和预设的期望加速度计算式，得到期望加速度，再根据所述期望加速度，确定所述无人机当前的期望升力方向参数；

24、误差跟踪控制单元，用于以所述期望升力方向参数与实际升力方向参数的偏差作为跟踪误差，当所述跟踪误差未满足预设的稳定性阈值条件时，则根据所述期望加速度和干扰观测器的输出，结合预设的控制律参数计算式和基于预设性能控制的终端滑模面控制模型，分别确定所述无人机的控制律参数，以根据所述控制律参数与pid内环控制逻辑调整所述无人机的飞行状态，直至所述无人机调整后的实际升力方向参数与所述期望升力方向参数的偏差满足预设的稳定性阈值条件为止。

25、本申请第三方面提供了一种基于预设性能的无人机容错控制终端，包括：存储器和处理器；

26、所述存储器用于存储程序代码，所述程序代码与如本申请第一方面提供的一种基于预设性能的无人机容错控制方法相对应；

27、所述处理器用于读取并执行所述程序代码。

28、本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中保存有程序代码，所述程序代码用于被处理器读取并执行，以实现如本申请第一方面提供的一种基于预设性能的无人机容错控制方法。

29、从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

30、本申请提供的方案首先通过获取无人机的实时运行参数和控制目标数据，当检测到无人机任意一个执行机构失效时，根据控制目标数据与实时运行参数的偏差，根据主轴信息和pid外环控制逻辑，确定无人机当前的期望升力方向参数；以期望升力方向参数与实际升力方向参数的偏差作为系统跟踪误差，当跟踪误差未满足预设的稳定性阈值条件时，则根据期望加速度和干扰观测器，结合预设的控制律参数计算式和基于预设性能控制的终端滑模面控制模型，确定无人机的控制律参数，以根据控制律参数与pid内环控制逻辑调整无人机的飞行状态，直至无人机调整后的实际升力方向参数与期望升力方向参数的偏差满足预设的稳定性阈值条件为止，通过内环的姿态环控制器采用预设性能理论与终端滑模控制相结合的方式保证在有限时间内主轴跟踪误差收敛到预设邻域，提高了系统的响应速度和暂稳态性能，从而提高了无人机在存在执行机构失效情形下的飞行稳定性。

1.一种基于预设性能的无人机容错控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于预设性能的无人机容错控制方法，其特征在于，所述滑模面控制模型具体为：

3.根据权利要求1所述的一种基于预设性能的无人机容错控制方法，其特征在于，所述干扰观测器的公式具体为：

4.根据权利要求1所述的一种基于预设性能的无人机容错控制方法，其特征在于，所述期望加速度计算式具体为：

5.根据权利要求2所述的一种基于预设性能的无人机容错控制方法，其特征在于，所述控制律参数具体包括：滚转角控制律参数、俯仰角控制律参数和升力控制律参数。

6.根据权利要求5所述的一种基于预设性能的无人机容错控制方法，其特征在于，所述控制目标数据还包括：期望偏航角；

7.根据权利要求5或6所述的一种基于预设性能的无人机容错控制方法，其特征在于，所述控制律参数计算式具体包括：

8.一种基于预设性能的无人机容错控制装置，其特征在于，包括：

9.一种基于预设性能的无人机容错控制终端，其特征在于，包括：存储器和处理器；

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中保存有程序代码，所述程序代码用于被处理器读取并执行，以实现如权利要求1至7任意一项所述的一种基于预设性能的无人机容错控制方法。