摘要
随着智能化时代的不断发展，四旋翼无人机以其小巧灵活、结构简单和低成本等优势迅速得到了人们的青睐。然而在四旋翼无人机的不断普及和应用中也引出了一些新的问题。由于四旋翼在飞行过程中往往处于障碍物较多的环境中，因此其执行器很容易出现损伤和故障问题。所以对四旋翼无人机的容错控制展开研究，提高其安全飞行的能力具有重要意义。本文的主要工作如下: 首先针对“X”字型结构的四旋翼无人机，阐述其飞行机制，推导惯性坐标系和机体坐标系之间的转换关系。基于牛顿第二定律和动量矩定理建立四旋翼数学模型。 其次针对执行器的乘性故障问题，提出一种基于自适应滑模控制的四旋翼容错控制策略。与大多数现有的控制策略不同，所提出的控制方案可以同时补偿执行器故障、参数不确定性和固定扰动。通过在控制策略中使用自适应参数，使其可以产生适当的信号来适应执行器故障和参数不确定性，而不是仅仅依赖滑模控制的不连续控制。此外，通过在不同的故障场景下进行数值仿真实验，验证所提控制策略的容错能力。 然后针对随机扰动和执行器故障同时存在的问题，提出一种基于扩张状态观测器(ExtendedStateObserver，ESO)的容错抗扰动控制策略。通过将随机扰动和执行器故障引起的不确定性视为总扰动，并设计ESO进行估计。同时在容错控制器中进行补偿，实现四旋翼的容错抗扰动控制。利用李雅普诺夫函数对系统进行稳定性分析，并通过数值仿真实验，验证控制算法的容错抗扰动能力。 最后考虑控制算法在硬件环境下的可行性问题，搭建半物理仿真平台，将控制算法应用到半物理仿真环境，进行四旋翼无人机的定点悬停任务。在四旋翼悬停状态下注入执行器故障和扰动，验证控制器在硬件环境下的容错能力和抗扰动能力。
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