本发明涉及故障及扰动上界未知下的空中机器人滑模容错控制方法，属于空中机器人系统的容错控制。
背景技术：
1、随着控制技术和控制精度的不断进步，多旋翼无人机的安全性得到了极大的提高，广泛应用于表面裂纹检测、航空摄影、灾害救援等各个领域。随着需求的不断增加，多旋翼无人机对环境的观察能力已经不能满足人们的需求。因此，多旋翼无人机还需要具有与外部物理环境直接交互并对环境进行转化的能力。为了给无人机增加这一功能，人们往往会为无人机上安装一个或多个机械臂，而这类带有机械臂的多旋翼飞行器通常称为空中机器人。具有与环境交互功能的空中机器人大大增加了在空中执行任务的功能性。
2、然而，机械臂的相关动作也会对飞行器的稳定运行产生一定的影响。当空中机器人执行与环境直接交互的任务时，不仅会面临内部执行器失效的风险，而且也会受到因机械臂在执行空中任务时转动所导致的干扰。正因为飞行器与机械臂之间所存在的这种干扰，使得空中机器人的相关控制面临着更大的挑战，同时也吸引了许多研究者展开深度探索。空中机器人系统是一个高度耦合和欠驱动的系统，系统中的不确定性、故障和干扰对会对系统稳定产生严重影响。在实际应用过程中，不确定性和外界干扰问题无法避免，且控制方式常常会存在一些抖振问题。如何在执行器发生故障时保证空中机器人的稳定甚至继续执行空中任务，同时在容错控制中抑制抖振现象，设计出更为有效的控制器以提高系统的可实现性一直是科研人员的研究重心。
3、在目前大量的研究成果中，系统所遭受干扰的上界信息往往会作为已知量，这在实际工程应用中是未知的。针对此种问题，设计出一个可以在扰动上界未知的情况下对故障与扰动信息进行快速准确的估计与补偿的控制器，能够提高系统在实际应用中的可实现性。
技术实现思路
1、发明目的：针对上述研究背景，提出了故障及扰动上界未知下的空中机器人滑模容错控制方法。设计了一种在不获取其上界信息的条件下实现了对故障与干扰的快速估计与补偿的自适应控制律；设计了非奇异终端滑模面，提高了系统的鲁棒性，相较于常规的终端滑模控制，该控制律解决了奇异性问题，并且能在有限时间内收敛，收敛速度更快；设计了超扭矩方法，削弱了滑模控制中常见的抖振问题。所设计的控制器能够有限时间内完成空中机器人系统的容错控制。
2、技术方案：
3、故障及扰动上界未知下的空中机器人滑模容错控制方法，包括如下具体步骤：
4、步骤1)：确定空中机器人的动力学模型；
5、步骤2)：确定带有未知上界的执行器故障和机械臂旋转扰动的空中机器人的动力学模型；
6、步骤3)：构造超扭矩非奇异快速终端滑模；
7、步骤4)：为空中机器人设计自适应控制律，根据李雅普诺夫稳定性理论，证明空中机器人在面对带有上界未知的执行器故障与机械臂旋转扰动时在所设计的自适应控制律的作用下实现容错控制。
8、优选的，步骤1)的具体实现过程为：
9、步骤1.1)：建立地球坐标系oxyz与机体坐标系ovxvyvzv，地球坐标系oxyz与机体坐标系ovxvyvzv的转换关系如(1)所示：
10、
11、r代表了机体坐标系ovxvyvzv到地球坐标系oxyz的变换矩阵：
12、
13、其中，φ表示空中机器人的滚转角、θ表示空中机器人的俯仰角、ψ表示空中机器人的偏航角；
14、步骤1.2)：定义空中机器人的控制输入如(2)所示：
15、
16、其中，l表示从旋翼中心到空中机器人重心位置的长度，li(i＝1,2,3,4)表示空中机器人各个旋翼所提供的升力，c为力与扭矩的换算系数，u0,u4,u5,u6为空中机器人的控制输入，u0＝t1+t2+t3+t4，u4＝l(t4-t2)/ix，u5＝l(t3-t1)/iy，uψ＝(ω4-ω3+ω2-ω1)/iz，其中ti(i＝1,2,3,4)表示每个转子提供的升力，ωi(i＝1,2,3,4)表示每个螺旋桨产生的扭矩，ix、iy、iz表示绕机体坐标轴转动的惯性矩，参数i表示索引值；
17、步骤1.3)：通过使用牛顿-欧拉法和欧拉-拉格朗日方程，得到空中机器人的动力学模型为：
18、
19、其中，m为空中机器人的质量，(x,y,z)为空中机器人的机体重心在地球坐标系oxyz的坐标，g为重力加速度，u1、u2、u3表示空中机器人的虚拟输入，具体表达式如下：
20、
21、优选的，步骤2)的具体实现过程为：
22、步骤2.1)：确定带有未知上界的执行器故障和机械臂旋转扰动的空中机器人的动力学模型如(5)所示：
23、
24、其中，fi(i＝1,…,6)为带有未知上界的执行器故障，di(i＝1,…,6)为带有未知上界的机械臂旋转扰动，参数i表示索引值；
25、步骤2.2)：针对执行器故障fi和机械臂旋转扰动di进行假设：
26、
27、其中，fi、di(i＝1,…,6)均为未知正常数，|·|表示绝对值，参数i表示索引值。
28、优选的，步骤3)的具体实现过程为：
29、步骤3.1)：首先定义空中机器人跟踪误差ei(i＝1,…,6)如(7)所示：
30、
31、其中，[xd yd zd φd θd ψd]为跟踪的期望值，参数i表示索引值；
32、步骤3.2)：定义非奇异快速终端滑模面sni如(8)所示：
33、
34、其中，λi、μi、hi(i＝1,…,6)均为正常数，参数i表示索引值，sgn为符号函数；
35、设计超扭矩滑模面sti如(9)所示：
36、
37、其中，k1、k2均为正常数，t表示时间；
38、步骤3.3)：将式(8)与式(9)相结合，得到超扭矩非奇异快速终端滑模面si如(10)所示：
39、
40、优选的，步骤4)的具体实现过程为：
41、步骤4.1)：考虑到执行器故障fi和机械臂旋转扰动di的不确定性，设计执行器故障fi的估计误差和机械臂旋转扰动di的估计误差如(11)所示：
42、
43、其中，分别为执行器故障fi与机械臂旋转扰动di的估计值；因此，对估计误差求导得：
44、
45、步骤4.2)：设计控制律如(13)所示：
46、
47、其中，αi、βi(i＝1,…,6)均为非负常数，参数i表示索引值；
48、步骤4.3)：为空中机器人所设计的自适应控制律如下所示：
49、
50、
51、
52、
53、
54、
55、其中ρi,σi,λi,σi为容错控制器参数，sgn(·)为符号函数；
56、根据李雅普诺夫稳定性理论，证明空中机器人在面对带有上界未知的执行器故障与机械臂旋转扰动时在所设计的自适应控制律的作用下实现容错控制。
57、有益效果：针对存在未知上界的故障及扰动的空中机器人系统，设计了故障及扰动上界未知下的空中机器人滑模容错控制方法。设计了一种在不获取其上界信息的条件下实现了对故障与干扰的快速估计与补偿的自适应控制律；设计了非奇异终端滑模面，提高了系统的鲁棒性，相较于常规的终端滑模控制，该控制律解决了奇异性问题，并且能在有限时间内收敛，收敛速度更快；设计了超扭矩方法，削弱了滑模控制中常见的抖振问题。总体而言，本发明具有如下优点：
58、1)设计了一种自适应控制律，在上界信息未知的条件下，实现了对故障和扰动信息的快速准确估计，在节约了设备资源的同时，还确保了在外部信息较少情况下实现快速准确的故障补偿与扰动补偿。
59、2)在常规终端滑模面的基础上，设计了超扭矩方法，有效地抑制了滑模控制带来的抖振影响，同时进一步提高了系统的鲁棒性。
60、3)本发明设计的超扭矩非奇异终端滑模容错控制方法，能够解决一类存在未知上界的故障和扰动的空中机器人系统的容错控制实现问题。该方法能够确保系统在有限时间内完成快速收敛，在一定程度上提高了设备的效率，降低了成本，同时增强了系统的鲁棒性和稳定性。
61、4)本发明所提出的自适应超扭矩非奇异快速终端滑模容错控制方法，准确度高，安全性强，效率高，硬件要求不算苛刻，具有一定的应用意义，可广泛应用于一类具有未知上界的故障和扰动的空中机器人系统的容错控制实现问题。
1.故障及扰动上界未知下的空中机器人滑模容错控制方法，其特征在于：包括如下具体步骤：
2.如权利要求1所述的故障及扰动上界未知下的空中机器人滑模容错控制方法，其特征在于：步骤1)的具体实现过程为：
3.如权利要求2所述的故障及扰动上界未知下的空中机器人滑模容错控制方法，其特征在于：步骤2)的具体实现过程为：
4.如权利要求3所述的故障及扰动上界未知下的空中机器人滑模容错控制方法，其特征在于：步骤3)的具体实现过程为：
5.如权利要求4所述的故障及扰动上界未知下的空中机器人滑模容错控制方法，其特征在于：步骤4)的具体实现过程为：
