旋翼机最安全的飞行器（双旋翼飞行器如何在旋翼故障时避免坠毁）

双旋翼飞行器（两轴飞行器，Bi-copter）是一种新构型的无人机，可以通过改变两个电机的角度来控制姿态。与四旋翼相比，双旋翼使用更少的电机，因此重量和能耗都更低。在续航能力上，目前续航时间已经是四旋翼无人机的一大痛点，双旋翼飞行器要比四旋翼更胜一筹，因此更加灵活高效的双旋翼有较好的发展空间。与四旋翼相比，其仅有的两个旋翼意味着当某个电机或旋翼发生故障时后果更加严重：一旦某个旋翼的拉力减小，机体便会侧翻坠落，造成危险。因此，对双旋翼飞行器的容错控制研究是很有必要的。

图1：极飞科技V40无人机

图2：零零科技V-Coptr Falcon

图3：一种双旋翼模型机

本文介绍了双旋翼飞行器的原理和模型，设计了容错控制器，可以控制双旋翼正常飞行，并在不做故障诊断和控制器重构的情况下，发生单侧旋翼效率下降或失效故障时使飞行器通过自旋来避免侧翻坠落，保持高度和降落。

本文导读

1. 研究问题

2. 控制器设计

3. 综合仿真与视景显示

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1. 研究问题

本文所要解决的是双旋翼飞行器的容错控制问题，即使得双旋翼在一侧旋翼拉力减小时避免翻转坠落，保证飞行器的安全，甚至使飞行器可以实现对位置的完全跟踪。采用被动容错的方法，不使用故障检测和隔离（FDI），在正常情况和故障情况下使用同一种控制策略，控制器自行得出当前飞行器的最佳状态并保持。

事实上，对于四旋翼的容错控制中有很多针对的便是单个旋翼失效的故障，一种可行的方法便是使故障旋翼和对侧旋翼同时停转，此时剩余的两个旋翼关于飞行器重心对称分布，并且由于转向相同，会使飞行器进入绕z轴的自旋状态，由于自旋的存在，飞行器便像陀螺一样具有了稳定性，此时通过对剩余正常3个旋翼转速的控制，便可使飞行器保持自旋稳定状态，并实现对3维空间位置的完全跟踪。相当于放弃对偏航角的控制，而仅保持对剩余状态的控制。对于双旋翼而言，若其仅有的两个旋翼之一发生故障，会直接进入不平衡状态，受到较大的滚转力矩。

采用的被动容错方法可用下图表示，将飞行器的控制分为3个通道，根据3个状态量的重要性分配权重，按照不同的优先级满足。这样，当飞行器发生故障，无法维持正常飞行时，飞行器便可优先满足拉力指向，保证合力向上平衡重力避免坠落，放弃不重要的偏航通道，使飞行器进入自旋状态；而当飞行器无故障时，则对3个通道同时满足，使飞行器正常飞行。

图4：被动容错控制算法框图

2. 控制器设计

要对双旋翼飞行器设计控制器，首先需要建立双旋翼的数学模型，并对单侧旋翼故障时的状态进行分析，寻找故障下可能存在的“稳定状态”以避免飞行器翻转，即计算出自旋平衡点以及平衡点处的可控性。对于故障的处理，没有FDI模块，采用扰动估计的方法来处理故障信息，将故障视作作用在飞行器上的外界扰动，控制器根据飞行器的状态反馈实时估计这种“扰动”的值，用于下一时刻的输入求解。

飞行器的3个通道分别为拉力指向通道、高度（力大小）通道和偏航通道。其中拉力指向通道仅与飞行器的滚转角速度p和俯仰角速度q相关，高度通道与竖直加速度az相关，偏航通道与偏航角速度r相关，因此3个通道可由关于p、q、r、az的4个方程得到。这样，在得到p、q、r、az的期望值或期望变化率之后，求解优化方程便可得到对应的4个输入u（两个旋翼转速和倾角）。由于4个方程是在约束条件下按照优先级满足的，因此当扰动较小时（对应无故障的情况），4个方程均可满足，飞行器的3个通道均可控；当扰动较大时（对应故障情况），4个方程无法同时满足，控制器便会优先满足指向通道和高度通道，放弃偏航通道，飞行器便逐渐进入自旋状态，保持稳定。

3. 综合仿真与视景显示

视景显示的原理如下图所示，Simulink将仿真得到的数据发送至FlightGear中，驱动模型的运动显示，使控制器的效果和飞行器的状态更加直观的展示。

图5：FlightGear视景显示原理

为了验证被动容错控制器的效果，我们给定一定的任务的条件进行仿真。当飞行器的质量变化时，控制器仍能起到较好的控制效果，此时飞行器对圆形轨迹的跟踪效果如下图。

图6

对于故障情况，当飞行器一侧旋翼完全失效、并且初始状态为自旋状态时，飞行器的位置状态如下图，在下坠一定高度后，飞行器逐渐上升，回到了给定的高度上，避免了坠落，此时若给定飞行器高度逐渐降低的指令，飞行器便会缓慢降落地面。

图7

而常规的非容错控制器在这种故障和同样的初始自旋条件下的状态如下图，初始时由于处于自旋状态，飞行器的z轴指向向上，较为稳定，但是在40s时飞行器拉力方向不再保持向上，开始快速下坠，最终高速坠落到地面。

图8

综上可知，所设计的被动容错控制器可以在无FDI的情况对正常和故障状态的飞行器进行有效控制，避免在单侧旋翼拉力不足时飞行器翻转坠落，保障飞行器的安全。

若飞行器的单侧旋翼失效故障是已知的，根据故障的飞行器模型，还单独设计了自旋控制器，此时由于控制器明确故障的具体情况，控制效果更好，可以实现对飞行器位置的完全跟踪。

图9

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本人在北航可靠飞行控制研究组完成本科毕业设计。本文节选并改编于“李瑞丰. 一种微小型倾转双旋翼飞行器的被动容错控制[D] 北京航空航天大学本科学位论文，北京。”

源自：可靠飞行控制研究组

来源：可靠飞行控制研究组

文章版权归属：李瑞丰

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