A Tilting-Rotor Enhanced Quadcopter Fault-Tolerant Control Based on Non-Linear Model Predictive Control

📄 arXiv: 2511.05445v1 📥 PDF

作者: Yanchao Wang, Xu You, Mehdi Baghdadi

分类: eess.SY

发布日期: 2025-11-07

期刊: Proceedings of the 1st International Conference on Drones and Unmanned Systems (DAUS' 2025), 19-21 February 2025, Granada, Spain, 2025, pp.287-291

DOI: 10.13140/RG.2.2.18747.94240

💡 一句话要点

提出基于倾转旋翼四旋翼的容错控制策略，利用非线性模型预测控制应对旋翼失效。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 容错控制 倾转旋翼 非线性模型预测控制 扩展状态观测器 四旋翼 无人机 故障诊断 主动容错

📋 核心要点

  1. 传统四旋翼在旋翼失效时难以维持姿态和位置稳定，容错能力不足，限制了其在复杂环境中的应用。
  2. 本文提出一种基于倾转旋翼的容错控制策略，利用非线性模型预测控制和扩展状态观测器实现主动容错。
  3. 仿真结果表明，该方法在旋翼失效时能有效维持位置控制和偏航稳定性，优于传统四旋翼和无观测器的倾转旋翼。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种基于倾转旋翼四旋翼样机的容错控制策略，该策略利用非线性模型预测控制，在旋翼失效的情况下维持姿态和位置的稳定性。该控制策略采用扩展状态观测器来预测故障后的模型偏差，并在后续时间步中调整原始模型，从而实现主动容错控制。通过仿真评估了所提出的方法，并将其与传统四旋翼和没有观测器的倾转旋翼四旋翼在相同条件下进行了比较。结果表明，与传统四旋翼不同，倾转旋翼四旋翼可以在不牺牲偏航稳定性的情况下保持位置控制。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决四旋翼飞行器在旋翼发生故障时，如何保持姿态和位置稳定性的问题。传统四旋翼在旋翼失效后，由于失去对称性，难以维持平衡，容易发生坠落。现有的容错控制方法可能无法在保证偏航稳定性的同时，维持位置控制。

核心思路：本文的核心思路是利用倾转旋翼的冗余控制能力，以及非线性模型预测控制（NMPC）的优化能力，在旋翼失效后，通过调整剩余旋翼的推力和倾转角度，重新分配控制力矩，从而维持飞行器的姿态和位置稳定。同时，利用扩展状态观测器（ESO）估计故障引起的模型偏差，并将其反馈到NMPC中，实现主动容错。

技术框架：该容错控制系统的整体框架包括以下几个主要模块： 1. 倾转旋翼四旋翼模型：建立精确的倾转旋翼四旋翼动力学模型，考虑旋翼的推力、倾转角度以及飞行器的姿态和位置。 2. 扩展状态观测器（ESO）：利用ESO估计旋翼失效引起的模型偏差，包括未建模动态、外部扰动和故障的影响。 3. 非线性模型预测控制器（NMPC）：基于预测模型，通过优化控制输入（旋翼推力和倾转角度），最小化预测误差，实现姿态和位置的精确控制。 4. 故障检测与隔离模块（未明确提及，但隐含存在）：检测旋翼是否发生故障，并隔离故障旋翼的影响。

关键创新：本文的关键创新在于将倾转旋翼的冗余控制能力与NMPC和ESO相结合，实现了一种主动容错控制策略。与传统的容错控制方法相比，该方法能够更有效地应对旋翼失效，并在保证偏航稳定性的同时，维持位置控制。此外，利用ESO估计模型偏差，提高了控制器的鲁棒性。

关键设计： 1. NMPC的优化目标函数：设计合适的优化目标函数，包括位置误差、姿态误差、控制输入的变化率等，并设置合适的权重系数。 2. NMPC的约束条件：考虑旋翼推力的上下限、倾转角度的范围、以及飞行器的姿态和位置约束。 3. ESO的设计：选择合适的观测器增益，以保证观测器的收敛速度和稳定性。 4. 模型预测的步长和预测范围：根据系统的动态特性，选择合适的预测步长和预测范围。

📊 实验亮点

仿真结果表明，在旋翼失效的情况下，所提出的容错控制策略能够有效地维持飞行器的位置和姿态稳定。与传统四旋翼相比，倾转旋翼四旋翼可以在不牺牲偏航稳定性的情况下保持位置控制。与没有观测器的倾转旋翼四旋翼相比，该方法能够更准确地估计模型偏差，并提高控制器的鲁棒性。具体的性能数据（如位置误差、姿态误差等）未在摘要中明确给出。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于无人机在复杂环境下的自主飞行，例如灾后救援、电力巡检、农业植保等。通过提高无人机的容错能力，可以降低无人机坠落的风险，提高任务的成功率和安全性。未来，该技术还可以推广到其他类型的多旋翼飞行器，甚至垂直起降固定翼飞行器。

📄 摘要（原文）

This paper proposes a fault-tolerant control strategy based on a tilt-rotor quadcopter prototype, utilizing nonlinear model predictive control to maintain both attitude and position stability in the event of rotor failure. The control strategy employs an extended state observer to predict model deviations following a fault and adjusts the original model in the subsequent time step, thereby achieving active fault-tolerant control. The proposed method is evaluated through simulations and compared to both traditional quadcopter and tilt-rotor quadcopter without observer under identical conditions. The results demonstrate that the tilt-rotor quadcopter can maintain position control without sacrificing yaw stability, unlike traditional quadcopters.