根据本发明专利技术的第一方面，提供用于操作在飞行期间遭遇故障的多旋翼器的方法，多旋翼器包括本体以及附接到本体的至少四个效应器，每个效应器能够操作来生转矩和推力两者，这两者能够使多旋翼器在没有遭遇所述故障时进行飞行。本方法可包括识别故障的步骤，其中，该故障影响效应器产生转矩和/或推力，且响应于识别故障来实施以下步骤：（1）计算所述本体主轴相对于预定参考系的取向的估计值，其中，所述主轴是所述多旋翼器在飞行时旋转所围绕的轴线；（2）计算所述多旋翼器的角速度的估计值；（3）基于所述本体的主轴相对于所述预定参考系的取向的所述估计值以及多旋翼器的角速度的所述估计值来控制所述至少四个效应器中的一个或更多个。可执行控制所述至少四个效应器中的一个或更多个的步骤，使得（a）所述一个或更多个效应器共同产生沿着所述主轴的转矩和垂直于所述主轴的转矩，其中，（i）沿着所述主轴的转矩使所述多旋翼器围绕所述主轴旋转，以及（ii）垂直于所述主轴的转矩使所述多旋翼器移动，使得所述主轴的取向收敛至相对于所述预定参考系的目标取向，以及（b）使得所述一个或更多个效应器单独产生沿着所述主轴的推力。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及对遭遇影响效应器的故障的多旋翼器的控制。特别地，本专利技术涉及用 于受控飞行的新型方案，其通过使多旋翼器旋转并且应用新型控制方法来实现对多旋翼器 的平移运动控制，从而允许在传统的具有悬停能力的飞行器中在效应器故障的情况下将本 专利技术用作故障安全控制机构，所述飞行器装备有多个刚性附接的定距螺旋桨（"多旋翼 器"）。
技术实现思路
根据本专利技术，用于控制多旋翼器的先前方法的局限性已明显减小或消除。特别地， 其提供用于具有仅有一个功能效应器的交通工具的飞行器控制方案。另外，其提供改进的 系统和方法，用于在发生影响一个或更多个效应器的故障的情况下控制飞行器。 本专利技术的一些实施例的技术优点可允许改进或简化现有多旋翼器的设计。例如， 比起当前系统(例如，依赖效应器冗余度(例如，六旋翼器和八旋翼器)或依赖效应器的外罩 (例如，护罩、涵道风扇）或依赖安全备用降落伞的那些系统），多旋翼器可需要更小的质量 且面临更少的设计约束和固有局限性。 本专利技术的一些实施例的技术优点可允许增加现有多旋翼器的安全性和可靠性。例 如，本专利技术可允许最小化或消除此类交通工具中由碰撞、机械或电力故障、电子失灵、操作 员失误或不利环境条件(例如，风或湍流)所引起的内在风险。本专利技术还可通过允许性能的 逐渐降级而不是完全失去控制的灾难性故障来减轻故障、失灵、操作员失误等等的影响。 本专利技术的一些实施例的其它技术优点可通过提高多旋翼器的可靠性和安全性、通 过允许其用在更广泛的多种操作条件和环境中或通过允许使目前由有经验的人类飞行员 对载人和无人两种飞行器执行的一些任务的部分或完全的自动化来允许针对新的应用使 用多旋翼器。对人类飞行员的需求严重地限制了在许多应用中多旋翼器的成本有效性、可 能的操作条件和飞行续航能力。例如，即便是有经验的人类飞行员仍无法保证在许多真实 世界操作条件(包括风和湍流)中的安全且有效的控制。 本专利技术的一些实施例的另外其它技术优点可允许根据在多种背景下根据多种应 用的特定需求来进行定制。示例应用包括:民用基础设施的检测和监控，其可能需要进行危 险性或重复性的任务；工业或公共服务应用（例如，工业地点的监督和监控、摄影测绘、勘 测）；专业航空摄影或电影摄影;通过航空来运输或输送货物;或玩具，例如小型飞行器;包 括根据音乐和灯光设定的舞蹈艺术的舞台演出，或需要与戏剧演员互动的戏剧演出；用于 社区的业余爱好者平台（例如，自制无人机组(DIY Drones);积极研究飞行平台或将飞行平 台用作其课程的一部分的团体的研究平台；具有一些例如在极端条件(天气、照明条件、污 染)下的可生存性、能源自治、可检测性或操作等要求的军事用途。特别地，一些技术优点允 许本专利技术装备有广泛范围的传感器。例如，红外线传感器允许进行用于检测果园里成片的 干土地或用于农作物监控的实施例。 根据本专利技术的第一方面，提供用于操作在飞行期间遭遇故障的多旋翼器的方法， 所述多旋翼器包括本体以及附接到本体的至少四个效应器，每个效应器可操作来产生转矩 和推力两者，这两者能够使多旋翼器在没有遭遇所述故障时进行飞行。所述方法可包括识 别故障的步骤，其中，所述故障影响由效应器产生的转矩和/或推力，并且响应于故障的识 别来实施以下步骤：（1)计算所述本体的主轴相对于预定参考系的取向的估计值，其中，所 述主轴是所述多旋翼器在飞行时旋转所围绕的轴线；（2)计算所述多旋翼器的角速度的估 计值；（3)基于所述本体的主轴相对于所述预定参考系的取向的所述估计值以及多旋翼器 的角速度的所述估计值来控制所述至少四个效应器中的一个或更多个。可执行控制所述至 少四个效应器中的一个或更多个的步骤，使得(a)所述一个或更多个效应器共同产生沿着 所述主轴的转矩和垂直于所述主轴的转矩，其中，（i)沿着所述主轴的转矩使所述多旋翼器 围绕所述主轴旋转，以及（ii)垂直于所述主轴的转矩引起所述多旋翼器移动，使得所述主 轴的取向收敛至相对于所述预定参考系的目标取向，以及(b)使得所述一个或更多个效应 器单独产生沿着所述主轴的推力。 转矩是围绕多旋翼器质心的转矩。 优选地，角速度是多旋翼器相对于惯性系旋转的速度。 优选地，基于所述本体的主轴相对于预定参考系的取向的所述估计值以及多旋翼 器的角速度的所述估计值来控制所述至少四个效应器中的一个或更多个的步骤包括:控制 至少四个效应器中不受故障影响的所述其它效应器。 优选地，转矩和推力是非零转矩和非零推力。 优选地，由每个效应器产生的转矩和推力不可避免地且内在地联系在一起。 优选地，转矩分量能够是由于在距多旋翼器质心一段距离处作用的效应器推力。 转矩的额外的分量能够来自于由效应器自身产生的转矩力偶，例如，由于对旋转的螺旋桨 的气动效应。 在本专利技术中，主轴无需与多旋翼器本体的惯性主轴相同。 优选地，主旋转能够至少主要由不受故障影响的其余效应器产生。具体地，由沿着 主轴作用的转矩分量产生。 优选地，能够自由选择相对于预定参考系的目标取向，且能够既获得又维持所述 目标取向。 更具体地，相对于预定参考系的目标取向能够看作主轴和重力方向或惯性系中的 垂直方向之间的目标取向角度。 优选地，在运行时，能够优选地从目标取向的范围或指定列表来自由选择目标取 向。 虽然原则上没有限制，但典型目标取向将在从与重力相反的方向的0度到75度的 范围中，或更确切地在〇度到45度的范围中。 目标取向的方位角方向能够是0度到360度范围中的任何值。 效应器故障能够具体地意味着效应器产生推力的能力的明显减小。 此类故障能够通常意味着效应器将产生推力的能力保持在其产生推力的初始能 力的0%与50%之间。更具体地，其能够在产生推力的初始能力的0%与10%之间。故障会由多种因素引起，包括效应器从多旋翼器的机械解耦。 在发生故障之后一些效应器不再能够产生任何推力的情况下，则产生沿着主轴的 推力的效应器能够是不受故障影响的全部效应器(例如，如果故障是马达衰退，则马达未衰 退的所有效应器将产生沿着主轴的推力）。 所述方法可进一步包括控制所述至少四个效应器中的一个或更多个的步骤，其基 于(a)所述本体的主轴相对于预定参考系的取向的所述估计值，以及(b)多旋翼器的角速度 的所述估计值，使得当所述主轴的取向已收敛至所述目标取向时，由无故障的所述一个或 更多个效应器中的每个所产生的沿着所述主轴的所述推力是由无故障的所述一个或更多 个效应器共同产生的推力的至少20%或30%。 所述方法可进一步包括识别影响效应器产生转矩和/或推力的故障的步骤，其中 故障使由所述效应器中的至少一个产生的转矩和/或推力减小超过20%、50%或80%的量，或 其中，故障引起所述效应器中的至少一个的转矩和/或推力完全损失。 能够使用很多种方法来检测故障，包括由人进行监控;间接检测，例如使用自动化 方法来监控测量数据，例如多旋翼器的基于模型的机载或非机载观测器，或使用滑动模式 观测器、基于投票的算法、对等空间法或参数识别;对故障的直接检测，例如，通过监控多旋 翼器马达的旋转速度，或通过监控多旋翼器马达引起的电流量；以及其它方法。 在本专利技术中，此外，沿着所述主轴的转矩能够使所述多旋翼器以大于0.5转/秒的 速度围绕所述主轴旋转。 在本专利技术中本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于操作在飞行期间遭遇故障的多旋翼器的方法，所述多旋翼器包括：•本体；以及•至少四个效应器，其附接到所述本体，每个效应器能够操作用于产生转矩和推力两者，这两者能够使所述多旋翼器在没有遭遇所述故障时进行飞行，所述方法包括以下步骤：•识别故障，其中，所述故障影响由效应器产生的转矩和/或推力；响应于对所述故障的所述识别，实施以下步骤：a） 计算所述本体的主轴相对于预定参考系的取向的估计值，其中，所述主轴是所述多旋翼器在飞行时旋转所围绕的轴线；b） 计算所述多旋翼器的角速度的估计值；c） 基于所述本体的所述主轴相对于所述预定参考系的所述取向的所述估计值以及所述多旋翼器的所述角速度的所述估计值来控制所述至少四个效应器中的一个或更多个，i.使得所述一个或更多个效应器共同产生沿着所述主轴的转矩和垂直于所述主轴的转矩，其中A.沿着所述主轴的转矩使所述多旋翼器围绕所述主轴旋转，以及B.垂直于所述主轴的转矩使所述多旋翼器移动，使得所述主轴的所述取向收敛至相对于所述预定参考系的目标取向，ii.且使得所述一个或更多个效应器中的每个单独产生沿着所述主轴的推力。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：MW米勒，S鲁帕斯恩，R德’安德烈，M韦贝，
申请(专利权)人：瑞士苏黎世联邦理工学院，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH
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