航空航天技术

本发明涉及一种执行器故障和输入饱和下四旋翼无人机容错控制方法，将自适应Backsteeping控制器与命令滤波器相结合，同时引入双曲正切函数和误差补偿机制，对位置子系统和姿态子系统进行控制。本发明能够跟踪误差的有限时间收敛，提高了位置和姿态的跟踪速度。

无人机物流运输安全：该容错控制方法通过自适应观测器实时诊断电机故障，并在输入饱和约束下动态重构控制分配策略，保障快递配送无人机在单旋翼失效情况下仍能稳定飞行至安全地点降落，大幅提升城市低空物流系统的运行可靠性。

电力巡检应急保障：当高压线巡检无人机遭遇强电磁干扰导致执行器异常时，控制算法的抗饱和补偿机制可防止控制指令溢出，结合剩余健康旋翼的协同调控，维持足够悬停时间完成关键数据回传，避免重要电力设施监测中断。

农业植保作业延续：针对植保无人机在农药腐蚀环境下易发生的舵机卡滞问题，方法内置的故障分级处理模块能根据损伤程度自动切换作业模式，优先保障基本飞行功能，支持完成当前喷洒任务后返航，减少药剂浪费与农田污染。

军事侦察任务完成度：在战场环境中受损的侦察无人机，通过该技术的控制冗余管理功能，即使丧失部分机动性仍可依靠剩余执行器维持基础航迹跟踪，确保情报收集任务的持续性，增强战场无人装备的生存能力。

无人机集群协同容灾：应用于编队飞行集群时，单个无人机的故障状态与控制饱和信息可通过通信网络共享，邻近健康无人机自主调整队形间距与轨迹参数，实现集群整体任务的动态重构，提升群体智能系统的鲁棒性。

(1)通过采用自适应技术，克服了四旋翼无人机中需要精确已知系统动态参数、气阻和执行器故障的限制。考虑到实际系统中执行器的效率，使用双曲正切函数代替饱和函数，以消除输入饱和对系统性能的影响。本发明同时解决了参数不确定性、执行器故障和输入饱和等问题，具有较强的实用性。

(2)通过引入命令滤波器，解决了微分爆炸的问题，使其能够在有限时间内快速逼近虚拟控制信号的导数；并通过引入误差补偿机制，有效地消除了滤波误差对系统性能的影响；并保证了姿态和位置跟踪误差可以保证跟踪误差的收敛性，以及所有闭环信号在有限时间内的有界性，提高了位置和姿态的跟踪速度。