任务约束下的无人机编队快速容错方法研究

The integration of multi fault-tolerant technologies is the guarantee of improving UAV formation fault-tolerant capability, and plays an important role for the safe and effective flying of the system. But the most present researches focus on independent technology research, resulting in the system being lack of fast fault-tolerant capability for autonomous missions. By integrating fault estimation, mission planning and cooperative fault-tolerant tracking, this project researches the fast fault-tolerance for UAV formation under complex mission constraints. Firstly, by analyzing the existing robust fault estimation methods, a kind of robust fault observer with fixed-time convergence is proposed. Then, in order to improve the mission application ability, a fast and high-precision UAV path planning method is designed by comprehensively considering swarm intelligence and numerical optimization methods. The flight ability for the fault UAV is evaluated and judged, and the target arrangement for the rest formation is finished. Thirdly, the fast fault-tolerant tracking for the designed path is addressed. By designing the fixed-time disturbance observer, the integrated fault estimation and fault-tolerant control is accomplished and the fixed-time cooperative control for the rest formation is also obtained. Finally, the designed strategy is verified by the simulation and experiment platform. This project aims at the international frontier and the result will effectively improve the autonomous mission ability for fault UAV formation and will provide theoretical support for future engineering applications.

多容错相关技术的融通是提升无人机编队容错能力的保证，对系统安全有效飞行具有重要意义。而现有研究多侧重于对单项技术的研究，使系统缺乏面向任务的快速自主容错能力。本项目将通过故障估计技术、任务规划技术以及协同容错跟踪技术的交叉融合，对复杂任务约束下的无人机编队快速容错问题进行研究。首先，开展对无人机鲁棒故障估计手段的研究，提出一种能够固定时间收敛的鲁棒故障观测器设计方法；在此基础上，为提升编队的任务应用能力，综合群智能方法和数值优化方法，提出无人机快速高精度航迹规划算法，实现对故障机的飞行能力评判，并完成剩余编队的目标分配；进而开展对规划航迹的快速容错跟踪研究，通过对固定时间干扰观测器设计，实现故障估计与容错跟踪的一体化分析和对剩余编队的固定时间协同控制；最后，通过仿真实验平台完成对容错策略的验证。本项目瞄准国际前沿，研究成果将有效提升故障无人机编队的自主任务能力，为未来工程应用提供理论支撑。

随着新技术发展和新需求涌现，无人机在军事活动和社会生活中发挥了越来越重要的作用。考虑预设任务要求、环境干扰及故障等问题，研究安全稳定的无人机控制策略具有重要意义。基于此，本项目综合观测器设计技术、任务规划技术和鲁棒控制技术对无人机快速容错方法开展研究，取得如下创新性成果。1. 在底层控制方面，提出了固定时间超螺旋观测器/扩张状态观测器/未知输入观测器设计方法，降低了设计保守性，实现了对故障/干扰的快速估计；完成了无人机编队的位置环/姿态环固定时间控制器设计及系统综合稳定性分析，解决了无人机固定时间鲁棒/容错控制、固定时间输出反馈控制及固定时间编队协同控制问题；2. 在上层规划方面，对无人机航线/轨迹规划方法进行了细致深入的研究，提出了基于改进粒子群优化算法的无人机协同航线规划方法、基于改进伪谱法/数值法的无人机轨迹规划方法、基于多项式的快速轨迹规划方法以及考虑故障的无人机容错轨迹生成方法，给出了约束下的无人机参考航线/轨迹，解决了严重故障下无人机的容错飞行路线生成问题；并基于目标重分配，对严重故障下多机协同容错进行了探索。此外，完成了基于Pixhawk飞控和树莓派的四旋翼无人机飞行平台建设，开展了多无人机自主飞行实验。项目执行至今，共录用/发表学术论文23篇，其中SCI检索期刊论文8篇，EI检索期刊论文2篇，EI检索会议论文5篇；申请发明专利1项。本项目研究能为无人机及相关无人系统的快速安全鲁棒控制提供理论支持和技术引导，同时有助于提升故障下无人系统的自主任务执行能力。