一种面向舵面故障的飞机姿态容错控制系统及控制方法

1.本发明属于飞行器控制技术领域，特别涉及一种面向舵面故障的飞机姿态容错控制系统及控制方法。


背景技术：

2.新一代无人机完成被赋予的飞行任务时，不仅要高效率，而且要有更好的安全性。监控飞机舵面健康状态，根据舵面健康状态采取相应操作将会成为无人机必要的部分。然而小型、低成本的无人机容错控制系统难以显著增加作动器和传感器的数目而实现更安全的飞行。存在容错控制系统与方法的技术局限，例如：当舵面卡死在非零位置时，会使滤波器的输出产生偏差，导致检测的准确性下降；控制重分配要求对控制器进行重新设计，这大大增加了容错控制的复杂度；线性控制器需要进行变参数处理，来覆盖飞机的整个工作范围。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面向舵面故障的飞机姿态容错控制系统及控制方法，旨在解决现有技术中飞机姿态的容错控制复杂度高的缺陷性技术问题。
4.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：第一方面，本发明提供一种面向舵面故障的飞机姿态容错控制方法，包括以下步骤：持续接收飞机在舵面故障情况下的飞机姿态信息，并将飞机姿态信息作为期望姿态输入至非线性动态逆容错控制器模块，非线性动态逆容错控制器模块计算舵面的虚拟控制输入，以及油门控制输入信息；控制分配器模块接收非线性动态逆容错控制器模块发布的虚拟控制输入信息、舵面行为调整模块发布的舵面行为模式和舵面的偏转估计量，并发布实际的各个舵面控制输入信息，在自适应多模型观测器模块计算各个舵面故障情况下的估计姿态、各个舵面的舵面偏转估计量以及故障发生的条件概率；舵面行为调整模块接收自适应多模型观测器模块发布的舵面故障发生的条件概率以及各个舵面的舵面偏转估计量，并计算新的舵面偏转限制，根据当前飞机的舵面健康情况调整舵面的行为模式；控制分配器模块接收新的舵面偏转限制，并根据调整后的舵面的行为模式，计算实际的各个舵面控制输入信息，同时将实际的舵面控制输入信息输入给自适应多模型观测器模块。
5.第二方面，本发明提供一种面向舵面故障的飞机姿态容错控制系统，包括：非线性动态逆容错控制器模块，所述非线性动态逆容错控制器模块的输入与自适应多模型观测器模块相连，用于持续接收飞机姿态信息，并计算舵面的虚拟控制输入，以及
油门控制输入信息；控制分配器模块，所述控制分配器模块的输入与非线性动态逆容错控制器模块和舵面行为调整模块相连，用于接收所述非线性动态逆容错控制器模块发布的虚拟控制输入信息，以及所述舵面行为调整模块发布的舵面行为模式和舵面的偏转估计量；所述控制分配器模块的输出端连接自适应多模型观测器模块，用于计算实际的各个舵面控制输入信息，同时将实际的舵面控制输入信息输入给所述自适应多模型观测器模块；舵面行为调整模块，所述舵面行为调整模块的输入端与自适应多模型观测器模块相连，用于接收所述自适应多模型观测器模块发布的舵面故障发生的条件概率，以及各个舵面的舵面偏转估计量，并计算新的舵面偏转限制。
6.第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤。
7.第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。
8.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提出的一种面向舵面故障的飞机姿态容错控制系统及控制方法，采取自适应多模型观测器模块实现对舵面故障的监测与隔离，其可以工作在整个飞行包线上，能够应对舵面任意位置的卡死和摆动故障。对舵面故障进行建模，估计可能故障的条件概率，当概率超过警戒值时，将故障隔离。采取控制分配器模块结合非线性动态逆容错控制器模块补偿出现的舵面故障，对无人机的姿态进行调整并使其保持稳定。非线性动态逆容错控制器模块可以很好地应对非线性的无人机系统及其大范围的工作姿态，舵面行为调整模块使用每个舵面的故障条件概率信息以及每个舵面的偏转估计量来确定应该使用的舵面行为模型，来补偿故障的舵面所带来的姿态影响，解决了飞机姿态容错控制复杂度高的问题。
9.进一步地，所有的舵面都是可以独立运行的，副翼或者升降舵可以单独上下运动或者朝一个方向一起运动，副翼可产生俯仰力矩，升降舵可产生滚转力矩。
10.进一步地，模式1为左副翼故障，模式2为右副翼故障的情况下，健康的副翼用于产生滚转力矩来稳定飞机的姿态，升降舵用于修正由故障副翼产生的不期望的俯仰转矩，以免对飞机的俯仰姿态产生影响。
11.进一步地，模式3为左升降舵故障，模式4为右升降舵故障的情况下，首先为了产生期望的俯仰力矩，计算出另一个升降舵的偏转量，然后，利用差别副翼修正滚转转矩，来稳定飞机的姿态。
12.进一步地，模式5为同时两个舵面故障的情况下，不同种类的两个舵面出现故障，依然可以对飞机的姿态进行补偿，但出现两个升降舵同时向上或向下被卡死，副翼不可能补偿由此产生的俯仰运动。出现这种情况，将进入随后的模式6和模式7的紧急程序。模式6为同时出现三个舵面故障，模式7为所有舵面都出现故障，出现这两种模式，意味着飞机不再受控则关闭发动机打开降落伞。
附图说明
13.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附
图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
14.图1为本发明面向舵面故障的飞机姿态容错控制系统组成结构示意图。
15.图2为本发明面向舵面故障的飞机姿态容错控制方法流程图。
16.图3为本发明面向舵面故障的飞机姿态容错控制系统的舵面故障建模。
17.图4为本发明自适应多模型观测器模块工作流程图。
18.图5为本发明非线性动态逆容错控制器模块工作流程图。
具体实施方式
19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
20.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
22.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
24.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.为了克服容错控制系统与方法的技术局限，例如：当舵面卡死在非零位置时，会使滤波器的输出产生偏差，导致检测的准确性下降；控制重分配要求对控制器进行重新设计，这大大增加了容错控制的复杂度；线性控制器需要进行变参数处理，来覆盖飞机的整个工作范围。本发明提供一种面向舵面故障的容错控制系统及控制方法，其中，自适应多模型观测器模块利用舵面故障时的偏转量非线性在线估计，成功对舵面卡死或摆动故障进行检测，并减少了所需的滤波器数目。对舵面故障进行建模，估计可能故障的条件概率，当概率
超过警戒值时，将故障隔离。控制分配器模块将在多面发生故障的情况下，重新计算稳定姿态所需的期望动力学参数。非线性动态逆容错控制器模块可以很好地应对非线性的无人机系统及其大范围的工作姿态。
26.一种面向舵面故障的飞机姿态容错控制系统，如图1所示，包括非线性动态逆容错控制器模块、控制分配器模块、自适应多模型观测器模块和舵面行为调整模块。
27.所述非线性动态逆容错控制器模块持续接收飞机姿态信息，并计算舵面的虚拟控制输入，以及油门控制输入信息；所述控制分配器模块接收所述非线性动态逆容错控制器模块发布的虚拟控制输入信息，接收所述舵面行为调整模块发布的舵面行为模式和舵面的偏转估计量；所述控制分配器模块计算实际的各个舵面控制输入信息，同时将实际的舵面控制输入信息输入给所述自适应多模型观测器模块；所述舵面行为调整模块接收所述自适应多模型观测器模块发布的舵面故障发生的条件概率以及各个舵面的舵面偏转估计量，并计算新的舵面偏转限制。
28.具体的：非线性动态逆容错控制器模块：非线性动态逆容错控制器模块搭载于机载计算机中，订阅来自自适应多模型观测器模块发布的期望的姿态信息，同时订阅飞控任务模块发布在飞机内部通信模块的期望姿态信息。使用非线性动态逆容错控制器，结合订阅的重构姿态信息与期望姿态信息，进行闭环控制，得到安全稳定的飞机舵面虚拟控制输入信息与油门控制输入信息。
29.自适应多模型观测器模块：搭载于机载计算机中，通过飞机内部通信模块，订阅来自于飞机必需的传统传感器的消息，也即是飞机的姿态信息。同时也需要订阅来自飞行控制系统任务模块的期望姿态信息。该模块由多个并行的滤波器组成，每一个滤波器对应一个特定舵面故障，计算该故障情况下的估计姿态以及舵面的偏转量估计。之后根据每个滤波器的残差以及误差协方差矩阵，计算估计舵面故障的条件概率。使用估计的姿态值计算获得重构的姿态信息，进行姿态重构，隔离发生的故障舵面，便于非线性动态逆容错控制器模块进行容错控制。
30.舵面行为调整模块：固定翼飞机构型一般有五个控制舵面：一个左副翼，一个右副翼，一个左升降舵，一个右升降舵，一个方向舵。所有的舵面都是可以独立运行的，这代表着副翼或者升降舵可以单独上下运动或者朝一个方向一起运动。因此，副翼可以产生俯仰力矩，升降舵可以产生滚转力矩。
31.舵面行为调整模块订阅容自适应多模型观测器模块发布的每个舵面的故障条件概率信息以及每个舵面的偏转估计量，使用这些信息来确定应该使用的舵面行为模型，来补偿故障的舵面所带来的姿态影响。
32.控制分配器模块：控制分配器模块接收非线性动态逆容错控制器模块所发布的虚拟控制输入信息以及舵面行为调整模块发布的舵面行为处理过的舵面的偏转估计量，使用这些信息结合舵面行为调整模块发布的新的舵面上下偏转限制，生成实际的舵面控制输入信息。
33.本发明提出的一种面向舵面故障的飞机姿态容错控制方法，如图2所示，包括如下步骤：
持续接收飞机在舵面故障情况下的飞机姿态信息，并将飞机姿态信息作为期望姿态输入至非线性动态逆容错控制器模块，非线性动态逆容错控制器模块计算舵面的虚拟控制输入，以及油门控制输入信息；控制分配器模块接收非线性动态逆容错控制器模块发布的虚拟控制输入信息、舵面行为调整模块发布的舵面行为模式和舵面的偏转估计量，并发布实际的各个舵面控制输入信息，在自适应多模型观测器模块计算各个舵面故障情况下的估计姿态、各个舵面的舵面偏转估计量以及故障发生的条件概率；舵面行为调整模块接收自适应多模型观测器模块发布的舵面故障发生的条件概率以及各个舵面的舵面偏转估计量，并计算新的舵面偏转限制，根据当前飞机的舵面健康情况调整舵面的行为模式；控制分配器模块接收新的舵面偏转限制，并根据调整后的舵面的行为模式，计算实际的各个舵面控制输入信息，同时将实际的舵面控制输入信息输入给自适应多模型观测器模块。
34.具体的：步骤1，对舵面故障进行建模，无人机的舵面在某个未知位置卡死或摆动故障可以看成是期望的输入舵偏角控制信号丢失，被一个错误的舵偏角控制信号所取代，从而造成飞机飞行姿态控制的不稳定。参考图3为舵面故障建模。
35.为了使自适应多模型观测器模块可以适用于所有飞行姿态、飞行状态，并且能够隔离作动器卡死或者摆动故障，将会持续接收飞机的姿态信息，在本发明中为飞机的三轴角速度，以及攻角和航向角。
36.步骤2，结合控制分配器模块发布的舵面控制输入信息，使用足够的滤波器计算各个舵面故障情况下的估计姿态、各个舵面的舵面偏转估计量以及故障发生条件概率。滤波器的数量与被检测的故障种类一致。随后利用误差状态协方差矩阵和滤波器残差计算舵面故障的条件概率，若有故障发生概率超过警戒值则标注，随后利用条件概率对每种舵面故障下的估计状态进行加权计算，得到最终的总估计状态。参考图4为自适应多模型观测器模块工作流程图。
37.自适应多模型观测器模块的表达式如公式（1）所示：yi=fi(zi(k),δi(k)) wk，集合变量zi(k)代替，。
38.其中，k为离散的当前时刻，i为故障，xk为当前时刻飞机姿态量，uk为任务模块的期望输入，xi(k)为基于故障i的滤波器输出的估计姿态，δi(k)为舵面的偏转量估计，fi为基于故障i的滤波器，pi(k)为故障的条件概率，σk为误差协方差矩阵，yi为观测输出，wk为随机噪声，ri(k)为滤波器残差，为总估计姿态，zi(k)为集合变量。
39.步骤3，舵面行为调整模块接收自适应多模型观测器模块发布的舵面故障发生的条件概率以及各个舵面的舵面偏转估计量。随后计算新的舵面偏转限制。自适应多模型观测器模块已经标注且隔离了故障舵面，舵面行为调整模块则可以根据当前飞机的舵面健康情况进行舵面行为模式调整，给出以下几种模式实例。
40.模式1到模式4为单舵面故障模式。模式1为左副翼故障、模式2为右副翼故障。在此模式下。健康的副翼用于产生滚转力矩来稳定飞机的姿态，升降舵用于修正由故障副翼产生的不期望的俯仰转矩，以免对飞机的俯仰姿态产生影响。
41.模式3为左升降舵故障和模式4为右升降舵故障。在此模式下，如果健康的升降舵不偏转和故障升降舵相同角度的话，故障的升降舵将引起滚转运动。如果让健康的升降舵偏转相同的角度来补偿这个不期望的滚转运动，也会产生不期望的俯仰转矩。而且仅通过副翼的控制，很难补偿这种不期望的俯仰运动。提出的解决方案是：首先为了产生期望的俯仰力矩，计算出另一个升降舵的偏转量。然后，利用差别副翼修正滚转转矩，来稳定飞机的姿态。
42.模式5为同时两个舵面故障。若是不同种类的两个舵面出现故障，依然可以用上述的方法对飞机的姿态进行补偿，但出现两个升降舵同时向上或向下被卡死，副翼不可能补偿由此产生的俯仰运动。出现这种情况，将进入随后的模式6和模式7的紧急程序。
43.模式6为同时出现三个舵面故障，模式7为所有舵面都出现故障。出现这两种模式，意味着飞机不再受控，应急方案为关闭发动机，打开降落伞。
44.步骤4，非线性动态逆容错控制器模块将使用自适应多模型观测器模块发布的估计的飞机姿态并结合任务模块给出的期望姿态信息，随后计算当前状态与期望姿态的误差，与线性化之后的飞机模型产生的姿态再次计算误差，使用该误差结合逆模型计算舵面的虚拟控制输入，以及与油门控制输入信息，如图5所示。
45.非线性动态逆容错控制器模块的表达式如公式（2）所示：（2）
其中，σi(k)为舵面虚拟控制输入信息，g-1
(x)为动态逆模型，l(x)为线性化模型，k
p
为比例系数，ki为积分系数。
46.步骤5，控制分配器模块接收非线性动态逆容错控制器模块发布的虚拟控制输入信息，以及舵面行为调整模块发布的舵面行为模式，以及舵面的偏转估计量。随后计算实际的各个舵面控制输入信息，同时要将实际的舵面控制输入信息输入给自适应多模型观测器模块，完成闭环的检测与控制。
47.本发明提出的一种面向舵面故障的飞机姿态容错控制方法的控制系统，包括：非线性动态逆容错控制器模块，所述非线性动态逆容错控制器模块用于持续接收飞机在舵面故障情况下的飞机姿态信息，并将飞机姿态信息作为期望姿态输入至非线性动态逆容错控制器模块，非线性动态逆容错控制器模块计算舵面的虚拟控制输入，以及油门控制输入信息；舵面信息的接收与估算模块，所述舵面信息的接收与估算模块用于控制分配器模块接收非线性动态逆容错控制器模块发布的虚拟控制输入信息、舵面行为调整模块发布的舵面行为模式和舵面的偏转估计量，并发布实际的各个舵面控制输入信息，在自适应多模型观测器模块计算各个舵面故障情况下的估计姿态、各个舵面的舵面偏转估计量以及故障发生的条件概率；舵面的行为模式调整模块，所述舵面的行为模式调整模块用于舵面行为调整模块接收自适应多模型观测器模块发布的舵面故障发生的条件概率以及各个舵面的舵面偏转估计量，并计算新的舵面偏转限制，根据当前飞机的舵面健康情况调整舵面的行为模式；控制分配器模块，所述控制分配器模块用于接收新的舵面偏转限制，并根据调整后的舵面的行为模式，计算实际的各个舵面控制输入信息，同时将实际的舵面控制输入信息输入给自适应多模型观测器模块。
48.本发明一实施例提供的终端设备，该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
49.所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
50.所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
51.所述处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
52.所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。
53.所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产
品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（rom，read-onlymemory）、随机存取存储器（ram，randomaccessmemory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
54.本发明提出的一种面向舵面故障的飞机姿态容错控制系统具有以下关键点：1）容错控制系统必须具有一定的鲁棒性，在出现故障时，可以应对飞机模型的不确定性和外部干扰；2）配套的故障检测与隔离系统，可以更好更高效地监测舵面状态，辅助容错控制系统调整无人机姿态；3）无人机任务模块应该将舵面的故障纳入考虑的范围，在飞行性能降低的情况下选择平缓的飞行姿态进行飞行任务。
55.本发明公开的一种面向舵面故障的飞机姿态容错控制方法，该方法采取自适应多模型观测器模块实现对舵面故障的监测与隔离，其可以工作在整个飞行包线上，能够应对舵面任意位置的卡死和摆动故障。采取控制分配器模块结合非线性动态逆容错控制器模块补偿出现的舵面故障，对无人机的姿态进行调整并使其保持稳定。
56.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。