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設想一下，一架四旋翼無人機飛行途中，部分螺旋槳無法旋轉，如何依然保持安全飛行？

據(jù)北京航空航天大學微信公眾號14日消息，該校自動化科學與電氣工程學院可靠飛行控制團隊在無人機容錯控制技術方面取得重要進展，讓四旋翼飛行器三個旋翼失效、依舊無拘飛翔。相關成果近期發(fā)表于機器人領域頂級期刊《IEEE Transactions on Robotics》。

北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院可靠飛行控制團隊柯晨旭博士、蔡開元教授和全權教授設計了一種統(tǒng)一的被動容災控制算法，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的安全飛行，提高了四旋翼飛行器的可靠性，并能拓展應用到六旋翼、八旋翼等飛行器上。

圖為僅一個螺旋槳工作的四旋翼無人機飛行動圖（0.1倍速）。

說起無人機，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的主流，可以在無人駕駛的條件下完成復雜空中飛行任務和搭載各種負載任務，被看作是“空中機器人”。巡視自然、守護生命、航拍萬物、高空作業(yè)……在航拍、植保、監(jiān)測、巡檢、物流、載人等各個領域，無人機正發(fā)揮著不可或缺的作用。

然而，多旋翼飛行器的關鍵部件——作為執(zhí)行機構的螺旋槳和電機，在實際運行過程中會受到各種外界環(huán)境的影響，例如高溫、風沙、日曬、雨水、腐蝕、碰撞等，突發(fā)故障時有發(fā)生，進而導致飛行器失控墜機。隨著近年來無人機的廣泛應用，失控墜機危及人民群眾財產和安全的事件也時有發(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？研究團隊瞄準這一領域開展了研究。

就提高四旋翼飛行器的可靠性問題，利用剩余可用旋翼，增加容錯控制設計是一種重要的手段。這種手段的優(yōu)點在于，不需要對四旋翼飛行器進行硬件上的調整，僅僅依靠控制設計便可提高四旋翼飛行器的安全性和容錯性。在容錯控制的應用中，需要設計算法，完成檢測故障、定位故障和程度、根據(jù)故障進行控制重構三個步驟：

容錯控制算法設計步驟

飛行情境復雜繁瑣，而又瞬息萬變，這一過程的實現(xiàn)顯得尤為艱難，對于過程耗時、故障診斷和控制器結構要求嚴格：如果檢測故障、定位故障和程度耗時過長，那么控制器將不能快速進入控制重構狀態(tài)，飛行器墜機會先行一步；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果與實際情況存在偏差，控制重構將無法正確執(zhí)行，無法有效解決飛行器故障帶來的墜機問題；控制器結構也應“面面俱到”，為了讓容錯控制器能夠最大程度覆蓋各種執(zhí)行機構故障情形，需要針對所有可能的故障情境來設計不同的控制策略，但這樣便使得控制器程序復雜，維護難度大大增加。

不懼挑戰(zhàn)，迎難而上

面對重重困難，團隊逢山開路、遇水架橋，在容錯飛行控制和算法驗證上取得了重要突破，成功地設計出一種統(tǒng)一的被動容災控制算法。在實際應用中，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。

1、容錯飛行控制

四旋翼飛行器的任一旋翼失效，將直接導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先計算不同旋翼故障的平衡點，據(jù)此進行不同的控制，這要求針對不同情況進行單獨設計，并且需要在不同的情況下切換不同的控制器。但是實際生活中四旋翼飛行器可能遇到的執(zhí)行機構故障多種多樣，難以窮盡，針對每一種故障情形設計不同的控制策略是不現(xiàn)實的。

四旋翼飛行器旋翼失效后墜機

究其根本、溯其源頭，團隊選擇回歸到最原始的飛行狀態(tài)尋求解決方案。正如陀螺轉動是旋轉前行，當部分旋翼發(fā)生故障停滯不前時，飛行器的平衡被打破，也會進入旋轉狀態(tài)。如若順勢而為，不去檢測、診斷復雜多變的故障情形，而是依靠剩余旋翼維持穩(wěn)定的旋轉狀態(tài)，從而實現(xiàn)像陀螺一般飛行。

由此，團隊另辟蹊徑，歸納出四旋翼飛行器執(zhí)行機構發(fā)生故障后的受力特點，針對該特點進行了容錯控制設計。最終，團隊設計出的容錯控制方法能夠在不依賴故障檢測、故障診斷的情況下，自主地實現(xiàn)不同執(zhí)行機構故障下的容錯控制，避免飛行器墜機。

2、在線仿真測試平臺

實驗驗證是四旋翼飛行器容錯控制研究的一大難點。相較于其他控制算法研究，容錯控制研究在驗證測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，這就導致驗證工作需要消耗大量的人力物力，設計出一套成熟的容錯控制算法往往成本高昂。同時，飛行轉臺一類的飛行模擬測試設備通常也具有測試復雜、靈活性低、費用昂貴的特點。

實時硬件在線仿真測試平臺

針對這一痛點，團隊開發(fā)了一整套實時硬件在線仿真測試平臺，該平臺成本低廉、具備滿足容錯控制研究的仿真精度，且靈活性強。

三大卓越特點

相較于傳統(tǒng)容錯控制方法，被動容災控制算法在容災、被動和統(tǒng)一這幾方面表現(xiàn)突出。

1、容災能力突出

這種被動容災控制算法在理論上通過了穩(wěn)定性證明，同時在戶外的實踐檢驗中，效果也十分顯著。在最糟糕的情況下，三個螺旋槳完全失去動力，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、故障程度最嚴重的四旋翼飛行驗證。

戶外容災能力驗證

2、對故障信息依賴性小

控制方法不依賴旋翼的故障檢測與診斷結果就可發(fā)揮作用，也不依賴于具體的故障信息。利用這種被動容災控制算法，旋翼故障被建模為一個集總擾動，估計的擾動會被統(tǒng)一被動故障容錯控制所采用，避開了獲取每個旋翼的具體故障信息所帶來的問題。然而，如果對集中擾動進行完全補償，無法保證在兩個或三個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現(xiàn)部分集總擾動的補償，保證了具有多個旋翼故障的四旋翼飛行器的穩(wěn)定性。

飛行器被動控制原理圖

3、統(tǒng)一適用于多類場景

對正常及不同故障的四旋翼飛行器，利用團隊設計的這種算法可以使用完全相同的控制器來實現(xiàn)控制。由于不需要針對不同的旋翼故障場景設計不同的容錯控制器，整體控制器設計過程得到了簡化。

無需控制切換即可應對多種失效情況

針對單旋翼、相鄰雙旋翼、對角雙旋翼以及三旋翼故障的飛行情境，團隊創(chuàng)造的統(tǒng)一被動容錯算法不僅完成了仿真平臺的室內測試，更創(chuàng)造了戶外故障程度最嚴重的四旋翼飛行驗證的歷史。在無人機、低空經濟越發(fā)火熱的大勢所趨下，如何提高無人機的安全性和可靠性，該研究給我們提供了一個答案。