梁宽宽等：基于自适应滑模的多螺旋桨浮空器容错控制 373· was proposed.The global asymptotic stability of the system is guaranteed by Lyapunov theory.The effectiveness and robustness of the controller are demonstrated by simulation results of a multi-propeller airship designed by Shanghai Jiao Tong University. KEY WORDS multi-propeller airship;adaptive sliding mode control;actuator input faults;control input saturation;wind disturbances;trajectory tracking 浮空器是一种轻于空气的飞行器，依靠氦气提 计自适应反演控制器保证闭环系统的稳定性，从 供静升力，依靠推进系统和控制系统实现操纵飞 而实现飞行器故障情况的姿态控制 行.浮空器以其速度低、载荷量大、滞空时间长等优 本文针对多螺旋桨浮空器在实际飞行过程中 点，逐渐得到广泛的研究与应用-)传统的的浮空 易发生的执行机构故障问题，同时考虑未知外部 器外形呈流线型，主要依靠气动舵面控制航向，很 扰动与螺旋桨输入幅值饱和的影响，设计了一种 容易受到侧向风扰的影响，对控制器要求较高.因 自适应滑模容错控制器，保证了浮空器闭环系统 此，一般在轨道控制时，对浮空器动力学方程进行 的轨迹跟踪的性能.结合滑模控制技术较强的鲁 线性化处理，进而设计相应的轨迹跟踪控制器-句 棒性，处理轨迹跟踪目标实现，通过设计在线自适 多螺旋桨浮空器是一种新型的浮空器，它由多个螺 应控制律处理未知外部扰动与螺旋桨偏移故障， 旋桨作为推进系统来实现飞行控制.为了提高浮 为了处理螺旋桨输入幅值饱和问题，采用Sigmoid 空器的安全性，多螺旋桨浮空器的执行机构一般是 函数设计跟踪轨迹，基于李雅普诺夫理论证明了 冗余的，因此，需要控制器设计分配优化向 浮空器闭环系统的全局渐近稳定性，仿真结果也 多螺旋桨浮空器由于长时间工作在空气稀薄 证明了在执行器故障条线下，该容错控制器相对 的高空，受到强烈的太阳辐射和环境扰动等因素 传统滑模控制器具有较强的轨迹跟踪性能.本文 的影响-)，执行机构极易出现控制信号故障以及 主要内容如下：1)首次分析并建立多螺旋桨浮空 自身机械故障，且又无法及时进行人工修复，因 器执行器故障系统模型；2)利用滑模理论，根据轨 此，研究浮空器的故障容错控制就显得尤为重要， 迹跟踪误差设计一种积分滑模面；3)设计新的自 Zhang等网对系统故障类型以及容错控制系统的 适应控制律，提出自适应滑模容错控制器，用李雅 方法和分类进行了比较全面的综述；Liang等o针 普诺夫稳定性理论保证系统全局渐近稳定：4)通 对飞艇执行机构加性和乘性故障，基于反演控制 过仿真分析验证了方法的有效性和正确性. 技术设计了一种自适应鲁棒控制器，保证了故障 系统的全局稳定，实现了飞艇的姿态跟踪控制； 1多螺旋桨浮空器故障模型 Zhou等山考虑飞艇执行机构效率损失故障，基于 1.1浮空器动力学和运动学模型 方法设计自适应容错控制器来保证系统的稳定 多螺旋桨浮空器是一种由多个螺旋桨驱动的 性，不需要故障检测与诊断环节即可控制飞艇跟 无尾飞艇，如图l(a)所示.本文所研究的多螺旋桨 踪期望偏航角： 浮空器是由4个矢量螺旋桨作为执行机构驱动、 滑模控制技术对扰动和模型不确定性具有很 由氨气囊提供浮力的新型浮空器，艇体外形为欧 强的鲁棒性，尤其是对非线性系统具有良好的控 拉体，螺旋桨对称地安装于浮空器赤道圆周.浮空 制效果，因此，经常被用于故障容错控制器的设计1 器的4个矢量螺旋桨可以产生8个控制输入变量， Xiao等1考虑飞行器执行机构故障、外部扰动、 因此，该多螺旋桨浮空器是执行器冗余的系统向 输入饱和等因素，利用神经网络方法预估未知系 本文根据已有的六自由度模型阿，不考虑浮空器的 统的状态信息，以扰动具有上界为假设条件，对系 俯仰和滚转运动，提取出其四自由度模型 统不确定性和外部扰动上界进行在线预估，提出 在如图1(b)所示的浮空器机体坐标系中建立 了一种自适应滑模控制器，实现了对故障系统的 浮空器的动力学方程如下： 容错控制.Wang等wl对多旋翼飞行器的故障容 AV=Fa+Dr+Td (1) 错控制进行了研究，考虑螺旋桨效率损失故障，将 m+1m11 0 0 0 控制器设计分为上层自适应滑模控制和下层故障 0 m+mz 0 0 控制分配，但是执行器故障信息需要通过故障检 2 0 0 m+m3s 0 测与诊断模块获得.Shen等通过设计状态反馈 0 0 0 I2+m66 观测器对飞行器执行机构故障进行诊断，然后设 其中，V=(u,y,w,rT为浮空器状态变量，u,y,w为机was proposed. The global asymptotic stability of the system is guaranteed by Lyapunov theory. The effectiveness and robustness of the controller are demonstrated by simulation results of a multi-propeller airship designed by Shanghai Jiao Tong University. KEY  WORDS    multi-propeller  airship； adaptive  sliding  mode  control； actuator  input  faults； control  input  saturation； wind disturbances；trajectory tracking 浮空器是一种轻于空气的飞行器，依靠氦气提 供静升力，依靠推进系统和控制系统实现操纵飞 行. 浮空器以其速度低、载荷量大、滞空时间长等优 点，逐渐得到广泛的研究与应用[1−3] . 传统的的浮空 器外形呈流线型，主要依靠气动舵面控制航向，很 容易受到侧向风扰的影响，对控制器要求较高. 因 此，一般在轨道控制时，对浮空器动力学方程进行 线性化处理，进而设计相应的轨迹跟踪控制器[4−6] . 多螺旋桨浮空器是一种新型的浮空器，它由多个螺 旋桨作为推进系统来实现飞行控制. 为了提高浮 空器的安全性，多螺旋桨浮空器的执行机构一般是 冗余的，因此，需要控制器设计分配优化[6] . 多螺旋桨浮空器由于长时间工作在空气稀薄 的高空，受到强烈的太阳辐射和环境扰动等因素 的影响[7−8] ，执行机构极易出现控制信号故障以及 自身机械故障，且又无法及时进行人工修复，因 此，研究浮空器的故障容错控制就显得尤为重要. Zhang 等[9] 对系统故障类型以及容错控制系统的 方法和分类进行了比较全面的综述；Liang 等[10] 针 对飞艇执行机构加性和乘性故障，基于反演控制 技术设计了一种自适应鲁棒控制器，保证了故障 系统的全局稳定，实现了飞艇的姿态跟踪控制； Zhou 等[11] 考虑飞艇执行机构效率损失故障，基于 方法设计自适应容错控制器来保证系统的稳定 性，不需要故障检测与诊断环节即可控制飞艇跟 踪期望偏航角. 滑模控制技术对扰动和模型不确定性具有很 强的鲁棒性，尤其是对非线性系统具有良好的控 制效果，因此，经常被用于故障容错控制器的设计[12] . Xiao 等[13] 考虑飞行器执行机构故障、外部扰动、 输入饱和等因素，利用神经网络方法预估未知系 统的状态信息，以扰动具有上界为假设条件，对系 统不确定性和外部扰动上界进行在线预估，提出 了一种自适应滑模控制器，实现了对故障系统的 容错控制. Wang 等[14] 对多旋翼飞行器的故障容 错控制进行了研究，考虑螺旋桨效率损失故障，将 控制器设计分为上层自适应滑模控制和下层故障 控制分配，但是执行器故障信息需要通过故障检 测与诊断模块获得. Shen 等[15] 通过设计状态反馈 观测器对飞行器执行机构故障进行诊断，然后设 计自适应反演控制器保证闭环系统的稳定性，从 而实现飞行器故障情况的姿态控制. 本文针对多螺旋桨浮空器在实际飞行过程中 易发生的执行机构故障问题，同时考虑未知外部 扰动与螺旋桨输入幅值饱和的影响，设计了一种 自适应滑模容错控制器，保证了浮空器闭环系统 的轨迹跟踪的性能. 结合滑模控制技术较强的鲁 棒性，处理轨迹跟踪目标实现，通过设计在线自适 应控制律处理未知外部扰动与螺旋桨偏移故障， 为了处理螺旋桨输入幅值饱和问题，采用 Sigmoid 函数设计跟踪轨迹，基于李雅普诺夫理论证明了 浮空器闭环系统的全局渐近稳定性，仿真结果也 证明了在执行器故障条线下，该容错控制器相对 传统滑模控制器具有较强的轨迹跟踪性能. 本文 主要内容如下：1）首次分析并建立多螺旋桨浮空 器执行器故障系统模型；2）利用滑模理论，根据轨 迹跟踪误差设计一种积分滑模面；3）设计新的自 适应控制律，提出自适应滑模容错控制器，用李雅 普诺夫稳定性理论保证系统全局渐近稳定；4）通 过仿真分析验证了方法的有效性和正确性. 1    多螺旋桨浮空器故障模型 1.1    浮空器动力学和运动学模型 多螺旋桨浮空器是一种由多个螺旋桨驱动的 无尾飞艇，如图 1（a）所示. 本文所研究的多螺旋桨 浮空器是由 4 个矢量螺旋桨作为执行机构驱动、 由氦气囊提供浮力的新型浮空器，艇体外形为欧 拉体，螺旋桨对称地安装于浮空器赤道圆周. 浮空 器的 4 个矢量螺旋桨可以产生 8 个控制输入变量， 因此，该多螺旋桨浮空器是执行器冗余的系统[6] . 本文根据已有的六自由度模型[6] ，不考虑浮空器的 俯仰和滚转运动，提取出其四自由度模型. 在如图 1（b） 所示的浮空器机体坐标系中建立 浮空器的动力学方程如下： AV˙ = Fa + Dτ+Td （1） A =   m+m11 0 0 0 0 m+m22 0 0 0 0 m+m33 0 0 0 0 Iz +m66   （2） V = (u, v,w,r) T 其中， 为浮空器状态变量，u, v,w 为机 梁宽宽等： 基于自适应滑模的多螺旋桨浮空器容错控制 · 373 ·