·32 智能系统学报 第2卷 法以及基于信号处理的方法，而容错控制方法包括 力2】.作为一门交叉学科，容错控制与鲁棒控制、故 被动容错控制和主动容错控制3s引.本文将重点对 障检测与诊断、自适应控制、智能控制等有密切的联 旋翼飞行机器人故障诊断及容错控制技术发展进行 系.从目前发展来看，控制系统的故障诊断和容错控 综述」 制有着密切的联系，故障诊断是容错控制的基础和 准备，容错控制为故障诊断的研究带来了新的活力， 1故障诊断与容错控制的发展历史 这2个方面也都成为了引人入胜的研究热点 容错控制(fault-tolerant control,FTC)的思想 早期故障诊断技术已广泛应用于工业过程传感 最早可以追溯到I971年，以Niederlinski提出完 器与执行器的故障检测，后来故障检测技术也成功 整性控制(integral control)的新概念为标志；Sil- 应用于固定翼飞机23.2]、倾转桨旋翼机26]、地面移 jak1于1980年发表的关于可靠镇定的文章是最早 动机器人35以及水下机器人2，但对于旋翼飞行机 开始专门研究容错控制的文章之一，“容错”原是计 器人的应用还很少28】 算机系统设计技术中的一个概念1，容错是容忍故 2 旋翼飞行机器人故障诊断与容错控 障的简称.而容错控制这一概念是1986年9月由美 国国家科学基金会和美国电气和电子工程师学会 制的特点 (IEEE)控制系统学会共同在美国加州桑塔卡拉拉 旋翼飞行机器人超视距的自主飞行能力大大拓 大学举行的控制界讨论会的报告中正式提出的，与 展了其应用范围，但当其置身未建模环境条件时，由 会的有全世界最著名的52位控制理论与应用专家 于环境的不确定性以及人类的不可干预性，使其故 他们在报告中将多变量鲁棒、自适应和容错控制列 障发生的机率明显增大，而旋翼飞行机器人自身复 为当今和未来7个富有挑战性的研究课题，并预杂模型非线性、强耦合、不确定性等特点突出，又使 言容错控制将很快在飞行控制中得到应用.后来这 得故障诊断与容错控制的研究具有很大难度 份报告以集体的名义发表在IEEE Trans..on Auto- 2.1旋翼飞行机器人的故障分类及故障模型 matic Control上.然而，直到1993年，国际上才出现 旋翼飞行机器人的主要故障类型包括传感器故 了由现任IFAC技术过程的故障诊断与安全性专业 障和执行器故障：其中传感器故障主要分为以下几 委员会主席Patton教授所撰写的容错控制的综述 类291. 文章10. 1)传感器完全故障：这是一种灾难性的故障，传 动态系统的故障检测与诊断(fault detection 感器在某一时刻后停止工作并输出零或者常值.这 and diagnosis,FDD)是容错控制的重要支撑技术之 种故障类型的原因是供电或通信问题 一.FDD技术的发展己大大超前于容错控制的发 2)常数偏差传感器故障：传感器在某一时刻其 展，其理论与应用成果也远远多于容错控制方面的 输出带有常数偏差，其后输出保持常值 成果.目前国际上每年发表的有关FDD方面的论 3)漂移/加性传感器故障：这是模拟信号传感器 文与报告在数千篇以上.基于解析冗余的故障诊断 最常见的问题之一，由于内部温度的变化或者校准 技术被公认为起源于Beard!21在1971年发表的博 的问题，传感器输出具有一个附加的常数项 士论文.1976年，Willsky3]在Automatica上发表 4)乘性传感器故障：这种类型的故障一般是由 了第一篇有关FDD方面的综述性质文章.Him- 于传感器的标准输出后增加了乘数因子 mel blau']于1978年出版了国际上第一本FDD方 5)离群数据传感器故障：这种故障一般出现在 面的学术著作.随后报导的这方面的重要综述文章 GPS等传感器上，某一时刻得到一个较大的误差 与著作参见文献[15-21]. 点，而后的输出又是正确的，是一种暂时的故障 容错控制发展至今只有20年左右的历史，因此 传感器故障可有如下数学表示形式21： 这是一门新兴交叉学科.促使这门学科迅速发展的 传感器恒值输出：you=a,a,为某一常数 一个最重要的动力来源于航空航天领域.美国空军 传感器恒值增益变化：yu=月ym,月为恒增益 从20世纪70年代起就不断投入巨资支持容错控制 变化的比例系数， 的发展，力求开发出具有高度容错能力的战斗机，甚 传感器恒偏差失效：y=yn+△：，△，为常数 至在多个翼面受损时，也能保持战斗机的生存能 以上各种传感器故障形式可以统一表达为以下 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net法以及基于信号处理的方法 ;而容错控制方法包括 被动容错控制和主动容错控制[3 - 5 ] . 本文将重点对 旋翼飞行机器人故障诊断及容错控制技术发展进行 综述. 1 故障诊断与容错控制的发展历史 容错控制(fault2tolerant control , F TC) 的思想 最早可以追溯到 1971 年 ,以 Niederlinski [6 ] 提出完 整性控制 (integral control) 的新概念为标志 ; Sil2 jak [7 ]于 1980 年发表的关于可靠镇定的文章是最早 开始专门研究容错控制的文章之一.“容错”原是计 算机系统设计技术中的一个概念[8 ] ,容错是容忍故 障的简称. 而容错控制这一概念是 1986 年 9 月由美 国国家科学基金会和美国电气和电子工程师学会 (IEEE) 控制系统学会共同在美国加州桑塔卡拉拉 大学举行的控制界讨论会的报告中正式提出的 ,与 会的有全世界最著名的 52 位控制理论与应用专家. 他们在报告中将多变量鲁棒、自适应和容错控制列 为当今和未来 7 个富有挑战性的研究课题[9 ] ,并预 言容错控制将很快在飞行控制中得到应用. 后来这 份报告以集体的名义发表在 IEEE Trans. on Auto2 matic Control 上. 然而 ,直到 1993 年 ,国际上才出现 了由现任 IFAC 技术过程的故障诊断与安全性专业 委员会主席 Patton 教授所撰写的容错控制的综述 文章[ 10 - 11 ] . 动态系统的故障检测与诊断 (fault detection and diagnosis ,FDD) 是容错控制的重要支撑技术之 一. FDD 技术的发展已大大超前于容错控制的发 展 ,其理论与应用成果也远远多于容错控制方面的 成果. 目前国际上每年发表的有关 FDD 方面的论 文与报告在数千篇以上. 基于解析冗余的故障诊断 技术被公认为起源于 Beard [12 ] 在 1971 年发表的博 士论文. 1976 年 , Willsky [13 ] 在 Automatica 上发表 了第一篇有关 FDD 方面的综述性质文章. Him2 melblau [14 ]于 1978 年出版了国际上第一本 FDD 方 面的学术著作. 随后报导的这方面的重要综述文章 与著作参见文献[ 15 - 21 ]. 容错控制发展至今只有 20 年左右的历史 ,因此 这是一门新兴交叉学科. 促使这门学科迅速发展的 一个最重要的动力来源于航空航天领域. 美国空军 从 20 世纪 70 年代起就不断投入巨资支持容错控制 的发展 ,力求开发出具有高度容错能力的战斗机 ,甚 至在多个翼面受损时 ,也能保持战斗机的生存能 力[22 ] . 作为一门交叉学科 ,容错控制与鲁棒控制、故 障检测与诊断、自适应控制、智能控制等有密切的联 系. 从目前发展来看 ,控制系统的故障诊断和容错控 制有着密切的联系 ,故障诊断是容错控制的基础和 准备 ,容错控制为故障诊断的研究带来了新的活力 , 这 2 个方面也都成为了引人入胜的研究热点. 早期故障诊断技术已广泛应用于工业过程传感 器与执行器的故障检测 ,后来故障检测技术也成功 应用于固定翼飞机[23 - 25 ] 、倾转桨旋翼机[26 ] 、地面移 动机器人[35 ]以及水下机器人[27 ] ,但对于旋翼飞行机 器人的应用还很少[ 28 ] . 2 旋翼飞行机器人故障诊断与容错控 制的特点 旋翼飞行机器人超视距的自主飞行能力大大拓 展了其应用范围 ,但当其置身未建模环境条件时 ,由 于环境的不确定性以及人类的不可干预性 ,使其故 障发生的机率明显增大 ,而旋翼飞行机器人自身复 杂模型非线性、强耦合、不确定性等特点突出 ,又使 得故障诊断与容错控制的研究具有很大难度. 211 旋翼飞行机器人的故障分类及故障模型 旋翼飞行机器人的主要故障类型包括传感器故 障和执行器故障 :其中传感器故障主要分为以下几 类[29 ] : 1) 传感器完全故障 :这是一种灾难性的故障 ,传 感器在某一时刻后停止工作并输出零或者常值. 这 种故障类型的原因是供电或通信问题. 2) 常数偏差传感器故障 :传感器在某一时刻其 输出带有常数偏差 ,其后输出保持常值. 3) 漂移/ 加性传感器故障 :这是模拟信号传感器 最常见的问题之一 ,由于内部温度的变化或者校准 的问题 ,传感器输出具有一个附加的常数项. 4) 乘性传感器故障 :这种类型的故障一般是由 于传感器的标准输出后增加了乘数因子. 5) 离群数据传感器故障 :这种故障一般出现在 GPS 等传感器上 ,某一时刻得到一个较大的误差 点 ,而后的输出又是正确的 ,是一种暂时的故障. 传感器故障可有如下数学表示形式[22 ] : 传感器恒值输出 : yiout =αi ,αi 为某一常数. 传感器恒值增益变化 : yiout =βi y iin ,βi 为恒增益 变化的比例系数. 传感器恒偏差失效 : yiout = yiin +Δi ,Δi 为常数. 以上各种传感器故障形式可以统一表达为以下 · 23 · 智 能 系 统 学 报 第 2 卷