魏鹏轩,盛汉霖,李枫韵,王一杰,史昊蓝,李嘉诚,陈芊
摘要: 旋翼失效使四旋翼无人机呈现出强非线性、快时变与严重欠驱动等特性,传统控制方法难以维持其飞行稳定,极易导致无人机失稳坠毁。因此,本文提出了一种基于分层自适应思想的多模式容错控制方法。该方法创新性地构建了一个由动态权重非线性模型预测控制(Dynamic Weighting Nonlinear Model Predictive Control, DWNMPC)和自适应增量非线性动态逆控制(Adaptive Incremental Nonlinear Dynamic Inversion, AINDI)组成的分层控制框架。上层DWNMPC控制器通过设计一种状态依赖的权重自适应机制,根据无人机姿态误差在线动态调整代价函数中各状态的权重,实现了在故障瞬间优先保障姿态稳定以抑制翻滚,待系统稳定后则平滑过渡至精确轨迹跟踪任务。为应对严重故障下的模型不确定性与强气动干扰,下层设计了AINDI控制器对DWNMPC指令进行在线鲁棒自适应修正,该控制器利用传感器测量实时补偿未建模力矩,并采用带遗忘因子的递推最小二乘法(Recursive Least Squares, RLS)在线辨识转动惯量等关键参数,显著增强了系统的鲁棒性。实验结果表明,所提出的分层自适应容错控制方法在无故障、单旋翼部分失效和完全失效工况下均展现出良好的轨迹跟踪能力,且控制过程仅依赖无人机自身机载传感器进行状态估计,体现了其在实际物理环境下的高普适性。在单旋翼完全失效并导致机体以约-10.5rad/s高速自旋的极端情况下,轨迹跟踪均方根误差相较于无故障时在x,y,z轴上仅分别增加了0.0476米、0.0545米和0.083米,显著提升了无人机的可靠性与安全性。