雙旋翼飛行器（兩軸飛行器，Bi-copter）是一種新構型的無人機，可以通過改變兩個電機的角度來控制姿態。與四旋翼相比，雙旋翼使用更少的電機，因此重量和能耗都更低。在續航能力上，目前續航時間已經是四旋翼無人機的一大痛點，雙旋翼飛行器要比四旋翼更勝一籌，因此更加靈活高效的雙旋翼有較好的發展空間。與四旋翼相比，其僅有的兩個旋翼意味著當某個電機或旋翼發生故障時后果更加嚴重：一旦某個旋翼的拉力減小，機體便會側翻墜落，造成危險。因此，對雙旋翼飛行器的容錯控制研究是很有必要的。
圖1：極飛科技V40無人機
圖2：零零科技V-Coptr Falcon
圖3：一種雙旋翼模型機 本文介紹了雙旋翼飛行器的原理和模型，設計了容錯控制器，可以控制雙旋翼正常飛行，并在不做故障診斷和控制器重構的情況下，發生單側旋翼效率下降或失效故障時使飛行器通過自旋來避免側翻墜落，保持高度和降落。 本文導讀 1. 研究問題 2. 控制器設計 3. 綜合仿真與視景顯示 1. 研究問題 本文所要解決的是雙旋翼飛行器的容錯控制問題，即使得雙旋翼在一側旋翼拉力減小時避免翻轉墜落，保證飛行器的安全，甚至使飛行器可以實現對位置的完全跟蹤。采用被動容錯的方法，不使用故障檢測和隔離（FDI），在正常情況和故障情況下使用同一種控制策略，控制器自行得出當前飛行器的最佳狀態并保持。 事實上，對于四旋翼的容錯控制中有很多針對的便是單個旋翼失效的故障，一種可行的方法便是使故障旋翼和對側旋翼同時停轉，此時剩余的兩個旋翼關于飛行器重心對稱分布，并且由于轉向相同，會使飛行器進入繞z軸的自旋狀態，由于自旋的存在，飛行器便像陀螺一樣具有了穩定性，此時通過對剩余正常3個旋翼轉速的控制，便可使飛行器保持自旋穩定狀態，并實現對3維空間位置的完全跟蹤。相當于放棄對偏航角的控制，而僅保持對剩余狀態的控制。對于雙旋翼而言，若其僅有的兩個旋翼之一發生故障，會直接進入不平衡狀態，受到較大的滾轉力矩。 采用的被動容錯方法可用下圖表示，將飛行器的控制分為3個通道，根據3個狀態量的重要性分配權重，按照不同的優先級滿足。這樣，當飛行器發生故障，無法維持正常飛行時，飛行器便可優先滿足拉力指向，保證合力向上平衡重力避免墜落，放棄不重要的偏航通道，使飛行器進入自旋狀態；而當飛行器無故障時，則對3個通道同時滿足，使飛行器正常飛行。
圖4：被動容錯控制算法框圖 2. 控制器設計 要對雙旋翼飛行器設計控制器，首先需要建立雙旋翼的數學模型，并對單側旋翼故障時的狀態進行分析，尋找故障下可能存在的“穩定狀態”以避免飛行器翻轉，即計算出自旋平衡點以及平衡點處的可控性。對于故障的處理，沒有FDI模塊，采用擾動估計的方法來處理故障信息，將故障視作作用在飛行器上的外界擾動，控制器根據飛行器的狀態反饋實時估計這種“擾動”的值，用于下一時刻的輸入求解。 飛行器的3個通道分別為拉力指向通道、高度（力大小）通道和偏航通道。其中拉力指向通道僅與飛行器的滾轉角速度p和俯仰角速度q相關，高度通道與豎直加速度az相關，偏航通道與偏航角速度r相關，因此3個通道可由關于p、q、r、az的4個方程得到。這樣，在得到p、q、r、az的期望值或期望變化率之后，求解優化方程便可得到對應的4個輸入u（兩個旋翼轉速和傾角）。由于4個方程是在約束條件下按照優先級滿足的，因此當擾動較小時（對應無故障的情況），4個方程均可滿足，飛行器的3個通道均可控；當擾動較大時（對應故障情況），4個方程無法同時滿足，控制器便會優先滿足指向通道和高度通道，放棄偏航通道，飛行器便逐漸進入自旋狀態，保持穩定。
3. 綜合仿真與視景顯示 視景顯示的原理如下圖所示，Simulink將仿真得到的數據發送至flightgear中，驅動模型的運動顯示，使控制器的效果和飛行器的狀態更加直觀的展示。
圖5：FlightGear視景顯示原理 為了驗證被動容錯控制器的效果，我們給定一定的任務的條件進行仿真。當飛行器的質量變化時，控制器仍能起到較好的控制效果，此時飛行器對圓形軌跡的跟蹤效果如下圖。
圖6 對于故障情況，當飛行器一側旋翼完全失效、并且初始狀態為自旋狀態時，飛行器的位置狀態如下圖，在下墜一定高度后，飛行器逐漸上升，回到了給定的高度上，避免了墜落，此時若給定飛行器高度逐漸降低的指令，飛行器便會緩慢降落地面。
圖7 而常規的非容錯控制器在這種故障和同樣的初始自旋條件下的狀態如下圖，初始時由于處于自旋狀態，飛行器的z軸指向向上，較為穩定，但是在40s時飛行器拉力方向不再保持向上，開始快速下墜，最終高速墜落到地面。
圖8 綜上可知，所設計的被動容錯控制器可以在無FDI的情況對正常和故障狀態的飛行器進行有效控制，避免在單側旋翼拉力不足時飛行器翻轉墜落，保障飛行器的安全。 若飛行器的單側旋翼失效故障是已知的，根據故障的飛行器模型，還單獨設計了自旋控制器，此時由于控制器明確故障的具體情況，控制效果更好，可以實現對飛行器位置的完全跟蹤。
圖9 本人在北航可靠飛行控制研究組完成本科畢業設計。本文節選并改編于“李瑞豐. 一種微小型傾轉雙旋翼飛行器的被動容錯控制[D] 北京航空航天大學本科學位論文，北京。” 源自：可靠飛行控制研究組 來源：可靠飛行控制研究組 文章版權歸屬：李瑞豐 本文轉載自其他網站，不代表本公司觀點和立場。如有圖片文字內容異議，請及時聯系我們！
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