复合倾转旋翼无人机多模态优化控制分配与容错控制研究
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1.国防科技大学空天科学学院;2.浙江大学控制科学与工程学院

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中图分类号:

V249.1

基金项目:

国家自然科学基金资助项目(52172410)


Multi-Mode Optimal Control Allocation and Fault-Tolerant Control of Compound Tilt-Rotor Aircraft
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    摘要:

    复合倾转旋翼无人机兼有固定翼和旋翼的构型与优势,目前得到广泛应用,但其过驱动的特性给控制分配系统的设计以及执行器故障条件下的稳定运行提出了挑战,对此本文提出了一种多模态优化控制分配与容错控制策略。首先,基于倾转旋翼飞行器动力学特性,建立了运动学和动力学模型,利用角加速度反馈补偿不确定动态部分,设计了混合增量非线性动态逆控制律;其次,研究了虚拟控制量与实际控制输入的分配方法,根据稳定性和执行成本等要求设计多目标综合优化函数,利用小维度严格凸二次规划方法进行求解。然后在控制分配目标函数基础上,提出了多模态下的容错控制策略,针对故障舵面实际提供的控制力矩难以满足期望值的问题,引入倾转矢量推力作为补充执行器,实现飞行器安全稳定运行。最后,通过数值仿真验证了所设计的控制分配与容错控制策略的有效性。

    Abstract:

    The compound tilt-rotor unmanned aerial vehicle (UAV) combines the advantages of both fixed-wing and rotorcraft, and is currently widely used. However, its over-actuated characteristics pose challenges for the design of control allocation systems and stable operation under actuator failure conditions. This paper proposes a multimodal optimization control allocation and fault-tolerant control strategy. First, based on the dynamic characteristics of tilt-rotor aircraft, kinematic and dynamic models are established. By utilizing angular acceleration feedback to compensate for unmodeled dynamic parts, a compound incremental nonlinear dynamic inversion control law is designed. Secondly, the distribution method of virtual control quantities and actual control inputs is studied. A multi-objective comprehensive optimization function is designed based on requirements such as stability and energy consumption and solved using a small-dimensional strictly convex quadratic programming method. Then, based on the control al

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  • 收稿日期:2025-01-11
  • 最后修改日期:2025-12-26
  • 录用日期:2025-05-13
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