【ZiDongHua 之創(chuàng)新自科文收錄關(guān)鍵詞：無人機(jī) 北京航空航天大學(xué) 機(jī)器人 容錯(cuò)控制 四旋翼飛行器】
　　
　　折翼的無人機(jī)還能飛？北航團(tuán)隊(duì)：當(dāng)然可以！
　　
　　俗話說
　　
　　獨(dú)木難支，孤掌難鳴
　　
　　你能想象
　　
　　折翅的雄鷹仍能搏擊長(zhǎng)空嗎
　　
　
　　
　　北航自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院
　　
　　可靠飛行控制團(tuán)隊(duì)
　　
　　在無人機(jī)容錯(cuò)控制技術(shù)方面
　　
　　取得重要進(jìn)展
　　
　　讓四旋翼飛行器
　　
　　三個(gè)旋翼失效依舊無拘飛翔
　　
　　相關(guān)成果近期發(fā)表于
　　
　　機(jī)器人領(lǐng)域頂級(jí)期刊
　　
　　《IEEE Transactions on Robotics》
　　
　　和小萱一起學(xué)習(xí)——
　　
　　北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院可靠飛行控制團(tuán)隊(duì)柯晨旭博士、蔡開元教授和全權(quán)教授設(shè)計(jì)了一種統(tǒng)一的被動(dòng)容災(zāi)控制算法，保證了四旋翼飛行器在大比例旋翼完全失效情況下無人機(jī)的安全飛行，提高了四旋翼飛行器的可靠性，并能拓展應(yīng)用到六旋翼、八旋翼等飛行器上。相關(guān)成果以“Uniform Passive Fault-Tolerant Control of a Quadcopter with One, Two, or Three Rotor Failure”為題，發(fā)表在《IEEE Transactions on Robotics》上。
　　
　　“飛入尋常百姓家”的無人機(jī)
　　
　　說起無人機(jī)，人們可謂耳熟能詳。其中，多旋翼飛行器、尤其是四旋翼飛行器是無人機(jī)的主流，可以在無人駕駛的條件下完成復(fù)雜空中飛行任務(wù)和搭載各種負(fù)載任務(wù)，被看作是“空中機(jī)器人”。
　　
　　巡視自然、守護(hù)生命、航拍萬物、高空作業(yè)……在航拍、植保、監(jiān)測(cè)、巡檢、物流、載人等各個(gè)領(lǐng)域，無人機(jī)正發(fā)揮著不可或缺的作用。
　　
　　
　　
　　圖1：DJI Mini 4 Pro（圖源大疆官網(wǎng)）
　　
　　然而，多旋翼飛行器的關(guān)鍵部件——作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的螺旋槳和電機(jī)，在實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)受到各種外界環(huán)境的影響，例如高溫、風(fēng)沙、日曬、雨水、腐蝕、碰撞等，突發(fā)故障時(shí)有發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致飛行器失控墜機(jī)。隨著近年來無人機(jī)的廣泛應(yīng)用，失控墜機(jī)危及人民群眾財(cái)產(chǎn)和安全的事件也時(shí)有發(fā)生。由于四旋翼飛行器的旋翼不存在冗余，這種威脅更顯得尤為突出。
　　
　　旋翼故障解決困難重重
　　
　　在旋翼發(fā)生故障后，如何最大限度地保證飛行器安全飛行？研究團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)這一領(lǐng)域開展了研究。
　　
　　就提高四旋翼飛行器的可靠性問題，利用剩余可用旋翼，增加容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)是一種重要的手段。這種手段的優(yōu)點(diǎn)在于，不需要對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行硬件上的調(diào)整，僅僅依靠控制設(shè)計(jì)便可提高四旋翼飛行器的安全性和容錯(cuò)性。在容錯(cuò)控制的應(yīng)用中，需要設(shè)計(jì)算法，完成檢測(cè)故障、定位故障和程度、根據(jù)故障進(jìn)行控制重構(gòu)三個(gè)步驟：
　　
　　
　　
　　圖2：容錯(cuò)控制算法設(shè)計(jì)步驟
　　
　　飛行情境復(fù)雜繁瑣，而又瞬息萬變，這一過程的實(shí)現(xiàn)顯得尤為艱難，對(duì)于過程耗時(shí)、故障診斷和控制器結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)格：如果檢測(cè)故障、定位故障和程度耗時(shí)過長(zhǎng)，那么控制器將不能快速進(jìn)入控制重構(gòu)狀態(tài)，飛行器墜機(jī)會(huì)先行一步；故障診斷同樣不容失誤，一旦定位故障位置和故障程度的結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差，控制重構(gòu)將無法正確執(zhí)行，無法有效解決飛行器故障帶來的墜機(jī)問題；控制器結(jié)構(gòu)也應(yīng)“面面俱到”，為了讓容錯(cuò)控制器能夠最大程度覆蓋各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障情形，需要針對(duì)所有可能的故障情境來設(shè)計(jì)不同的控制策略，但這樣便使得控制器程序復(fù)雜，維護(hù)難度大大增加。
　　
　　不懼挑戰(zhàn)，迎難而上
　　
　　面對(duì)重重困難，團(tuán)隊(duì)逢山開路、遇水架橋，在容錯(cuò)飛行控制和算法驗(yàn)證上取得了重要突破，成功地設(shè)計(jì)出一種統(tǒng)一的被動(dòng)容災(zāi)控制算法。在實(shí)際應(yīng)用中，該算法還可以輕松拓展到如六旋翼、八旋翼這種旋翼數(shù)量更多的飛行器上。
　　
　　01
　　
　　容錯(cuò)飛行控制
　　
　　四旋翼飛行器的任一旋翼失效，將直接導(dǎo)致飛行器受力不平衡，無法保持安全飛行姿態(tài)。以往的解決方法是預(yù)先計(jì)算不同旋翼故障的平衡點(diǎn)，據(jù)此進(jìn)行不同的控制，這要求針對(duì)不同情況進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，并且需要在不同的情況下切換不同的控制器。但是實(shí)際生活中四旋翼飛行器可能遇到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障多種多樣，難以窮盡，針對(duì)每一種故障情形設(shè)計(jì)不同的控制策略是不現(xiàn)實(shí)的。
　　
　　
　　
　　圖3：四旋翼飛行器旋翼失效后墜機(jī)
　　
　　究其根本、溯其源頭，團(tuán)隊(duì)選擇回歸到最原始的飛行狀態(tài)尋求解決方案。正如陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)前行，當(dāng)部分旋翼發(fā)生故障停滯不前時(shí)，飛行器的平衡被打破，也會(huì)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。如若順勢(shì)而為，不去檢測(cè)、診斷復(fù)雜多變的故障情形，而是依靠剩余旋翼維持穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)像陀螺一般飛行。
　　
　　由此，團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，歸納出四旋翼飛行器執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障后的受力特點(diǎn)，針對(duì)該特點(diǎn)進(jìn)行了容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)。最終，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出的容錯(cuò)控制方法能夠在不依賴故障檢測(cè)、故障診斷的情況下，自主地實(shí)現(xiàn)不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障下的容錯(cuò)控制，避免飛行器墜機(jī)。
　　
　　02
　　
　　在線仿真測(cè)試平臺(tái)
　　
　　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是四旋翼飛行器容錯(cuò)控制研究的一大難點(diǎn)。相較于其他控制算法研究，容錯(cuò)控制研究在驗(yàn)證測(cè)試階段極易造成飛行器墜毀。一旦墜毀，前期投入的資源便付諸東流，這就導(dǎo)致驗(yàn)證工作需要消耗大量的人力物力，設(shè)計(jì)出一套成熟的容錯(cuò)控制算法往往成本高昂。同時(shí)，飛行轉(zhuǎn)臺(tái)一類的飛行模擬測(cè)試設(shè)備通常也具有測(cè)試復(fù)雜、靈活性低、費(fèi)用昂貴的特點(diǎn)。
　　
　　針對(duì)這一痛點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一整套實(shí)時(shí)硬件在線仿真測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)成本低廉、具備滿足容錯(cuò)控制研究的仿真精度，且靈活性強(qiáng)。
　　
　　三大卓越特點(diǎn)
　　
　　相較于傳統(tǒng)容錯(cuò)控制方法，被動(dòng)容災(zāi)控制算法在容災(zāi)、被動(dòng)和統(tǒng)一這幾方面表現(xiàn)突出。
　　
　　01
　　
　　容災(zāi)能力突出
　　
　　這種被動(dòng)容災(zāi)控制算法在理論上通過了穩(wěn)定性證明，同時(shí)在戶外的實(shí)踐檢驗(yàn)中，效果也十分顯著。在最糟糕的情況下，三個(gè)螺旋槳完全失去動(dòng)力，四旋翼飛行器依舊具備一定的方位控制能力，確保飛行器能夠安全地飛行和降落。這是世界上首次在戶外成功做到的、故障程度最嚴(yán)重的四旋翼飛行驗(yàn)證。
　　
　　02
　　
　　對(duì)故障信息依賴性小
　　
　　控制方法不依賴旋翼的故障檢測(cè)　　與診斷結(jié)果就可發(fā)揮作用，也不依賴于具體的故障信息。利用這種被動(dòng)容災(zāi)控制算法，旋翼故障被建模為一個(gè)集總擾動(dòng)，估計(jì)的擾動(dòng)會(huì)被統(tǒng)一被動(dòng)故障容錯(cuò)控制所采用，避開了獲取每個(gè)旋翼的具體故障信息所帶來的問題。然而，如果對(duì)集中擾動(dòng)進(jìn)行完全補(bǔ)償，無法保證在兩個(gè)或三個(gè)旋翼故障的情況下飛行器的穩(wěn)定性。通過引入期望旋翼推力的反饋從而實(shí)現(xiàn)部分集總擾動(dòng)的補(bǔ)償，保證了具有多個(gè)旋翼故障的四旋翼飛行器的穩(wěn)定性。
　　
　　03
　　
　　統(tǒng)一適用于多類場(chǎng)景
　　
　　對(duì)正常及不同故障的四旋翼飛行器，利用團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的這種算法可以使用完全相同的控制器來實(shí)現(xiàn)控制。由于不需要針對(duì)不同的旋翼故障場(chǎng)景設(shè)計(jì)不同的容錯(cuò)控制器，整體控制器設(shè)計(jì)過程得到了簡(jiǎn)化。
　　
　　針對(duì)單旋翼、相鄰雙旋翼、對(duì)角雙旋翼以及三旋翼故障的飛行情境，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的統(tǒng)一被動(dòng)容錯(cuò)算法不僅完成了仿真平臺(tái)的室內(nèi)測(cè)試，更創(chuàng)造了戶外故障程度最嚴(yán)重的四旋翼飛行驗(yàn)證的歷史。在無人機(jī)、低空經(jīng)濟(jì)越發(fā)火熱的大勢(shì)所趨下，如何提高無人機(jī)的安全性和可靠性，該研究給我們提供了一個(gè)答案。
　　
　　項(xiàng)目作者及團(tuán)隊(duì)信息
　　
　　研究聚焦于無人機(jī)的可靠飛行控制，北航柯晨旭博士為論文的的第一作者，北航蔡開元教授為論文的第二作者，北航全權(quán)教授為論文的通訊作者。工作受國(guó)家自然科學(xué)基金支持，北航為研究論文的唯一單位。
　　
　　論文的原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10197544