六旋翼飞行器容错飞行控制

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对电子调速器程序的总体架构进行说明如下：
开始
刷新PPM控 制指令 否
≥2.5ms
是 否
是否需要启 动
是
电机启动程 序
否
是否启动成 功
是 开启软件测 速
发送转速信息 和电机状态
图2 Fig. 2
电子调速器程序流程图 Program flow diagram for ESC
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30
0 引言
近年来， 世界无人飞行器技术不断发展和完善， 尤其在多旋翼飞行器领域取得了长足的 进步。另一方面，随着电网规模的不断扩大，社会发展对输电线路安全运行的需求增大，若 35 不及时对线路进行检测并实施有效维护，极可能导致重大电网安全事故。 无人机在电力巡线方面的成功应用， 极大提高了电力巡线的工作效率， 有效地降低了电 力巡线的人工费用。 但是由于无人机电力巡检技术对飞行器的安全性和可靠性要求极高， 一 旦多旋翼飞行器在空中发生偶然性故障 （如电机卡死堵转、 旋翼翼面破损、 遥控器信号丢失） ， 往往会导致对电网的次生灾害（如撞上输电杆塔、缠住输电线路）。因此，研究多旋翼飞行 40 器的容错控制，提高其应对偶然性故障的能力则具有重要意义。 本文依据电力巡线[1]这一应用背景，结合近年来国内外对容错飞行控制的理论研究，提 出一种六旋翼飞行器容错飞行控制的控制方法， 可以依据飞行器电调的反馈信息， 实时调节
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六旋翼飞行器容错飞行控制#
陈阳，王世勇，李少斌，杨成顺，杨忠**
5 （南京航空航天大学自动化学院，南京 210016） 摘要：无人机在电力巡检方面的推广，要求飞控系统更加可靠和稳定。针对六旋翼飞行器执 行机构卡死故障，本文提出一种可实现的容错控制方案。首先，设计一款具有反馈信息功能 的电子调速器， 能够实时获得执行机构的工作状态， 并将状态信息反馈给飞控计算机。 其次， 依据六旋翼的机械结构，建立数学模型，设计滑模控制律，实现六旋翼飞行器的姿态控制。 然后，当发生执行机构卡死故障时，根据电子调速器返回的状态信息，改变控制量的分配， 消除故障电机对飞行器的不良影响。最后，采用仿真软件对控制律进行模拟验证，并进行飞 行器的试验飞行。 关键词：容错控制；六旋翼飞行器；电子调速器；执行机构卡死 中图分类号：V249.122+.9
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量出飞行器机体坐标系下三个轴上的加速度； 陀螺仪能够测量出飞行器机体坐标系下绕着三 个轴的角速度。IMU 将飞行器的加速度信号与角速度信号发给飞控计算机进行处理。 飞控计算机通过从 IMU 采集到的原始姿态信息，通过一定的滤波，运用四元数法或者 DCM 算法进行姿态解算，得到飞行器当前在惯性坐标系下的真实姿态信息。同时飞控计算 机从 RC 接收机中解算出用户或者飞控地面站发出的控制指令，结合当前的真实姿态信息，
1.2
软件程序设计
当今的电子调速器无法提供无刷电机的转速与运行状态，故需要重新设计电子调速器[3]
并建立电子调速器与飞控计算机之间的通讯。
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表1 Tab. 1 电子调速器技术参数 Technical parameters of electric speed controller 耐受电压/V 耐受电流/A 刷新率/Hz 30 40 400
基金项目：博士点基金（20113218110013）； 作者简介：陈阳（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向：多旋翼飞行器容错飞行控制 通信联系人：杨忠（1969-），男，教授，主要研究方向：无人器智能控制与管理技术、智能飞行控制与机 电综合控制、机器视觉与智能测控技术. E-mail: YangZhong@
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Fault-tolerant Control of Hexa-copters
Chen Yang, Wang Shiyong, Li Shaobin, Yang Chengshun, Yang Zhong
20 (College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China) Abstract: The promotion of UAVs(Unmanned Aerial Vehicle) on the power lines inspection requires the flight control system to be more raliable and stable.This paper puts forward a realizable fault-tolerant control project against failures of Hexa-copter's actuators.Firstly,an ESC (Electronic Speed Controller)is designed which can get access to the working status in real time and send status information back to the FCC (Flight Control Computer).Secondly, design sliding mode control law to achieve attitude control after a mathematical model is built based on the Hexa-copter's mechanical structure.Then change the distribution of control to eliminate adverse affects on copters from fault motors according to the status information received from ESCs when there meets actuator stuck faults.Finally testify the control law with simulation software and conduct a testing flight of Hexa-copters. Key words: fault-tolerant control; Hexa-copters; ESCs; actuator stuck
U c TF F = MU c
(3)
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其中，F 为六旋翼飞行器的实际输入， 表示飞行器 6 个无刷电机产生的升力。T R36 表 示实际输入量合成虚拟控制量的转换矩阵，由飞行器的机械结构决定。 M R63 表示虚拟控 制量分配为实际输入量的转换矩阵，为 T 的广义逆矩阵，满足 TM = I3 。
1.3
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通讯协议
为了实现飞控计算机与电子调速器之间的信息沟通，必须采用一主机多从机的通讯方
式。AVR ATmega 系列单片机片内集成两线串行接口 TWI[4]模块，通过两根双向总线（包括 一根时钟线 SCL 和一根数据线 SDA），可以连接 128 个设备，具有简便、高效、快速的特 点。故在飞控计算机与电子调速器之间采用 TWI 通信协议实现状态信息的交流，如图 4 所 示：
v P T z gz g R F b v m
(1)
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其中， P 为飞行器位置向量， v 为飞行器速度向量， TF 为飞行器总升力， R 为机体坐 标系 ob xb yb zb 与地面惯性坐标系 og xg yg zg 的转换矩阵。 m 为飞行器的质量， g 为重力加速度，
主机 从机
Start
Address+W
ACK
Data
ACK
...
ACK
Restart
Address+R
ACK
Data
NACK
...
NACK
Stop
图4 Fig. 4
TWI 通信流程
Communication procedure for TWI protocol
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2 容错飞行控制
2.1 模型建模
由文献[5]可以得到六旋翼飞行器的运动学模型为：
zg 、 zb 分别为 og xg yg z g 和 ob xb yb zb 单位向量。
WΩ ξ JΩ Ω JΩ LU c
(2)
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其中， ξ 表示飞行器的欧拉角， Ω 为飞行器绕质心的角速度向量， J 为转动惯量矩阵。 W 为绕机体轴角速率与欧拉角速率的转换矩阵。 L 为相应滚转、俯仰、偏航通道的等效力 臂，根据不同机型结构， L 阵的取值不同。 U c 为六旋翼飞行器的虚拟控制量，表示滚转、 俯仰、偏航通道的等效力。
主机 从机
飞 控 计 算 机
SDA SCL
电 子 调 速 器
1
电 子 调 速 器
2
电 子 调 速 器
n
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图 3 TWI 协议连接示意图 Fig. 3 Dtion
-3-
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飞控计算机与多个电子调速器之间的通信流程如图 5 所示。 飞控计算器作为主机先控制 SDA 总线发出 Start 命令，传输开始。主机先将需要查询状态信息的从机地址进行广播，只 90 有符合相应地址的电子调速器作为从机响应，并返回 ACK 信号。主机接收到 ACK 信号后， 开始传输相应的查询命令，一旦从机接收到相应的查询命令，则返回 ACK 信号。主机发送 从机接收这一过程结束。 主机控制 SDA 总线发出 Restart 命令， 开始从机发送主机接收过程。 主机将需要读取状态信息的从机地址进行广播， 相应地址的电子调速器作为从机响应， 返回 ACK 信号。相应的从机将状态信息发送给主机，主机接收到命令之后返回 NACK 信号。当 95 从机把主机所查询的所有状态信息发送给主机后，主机控制 SDA 总线发出 Stop 命令，完成 了一次查询过程。