面向四旋翼容错控制的非线性模型预测控制

四旋翼飞行器因其机械结构简单、悬停能力及高机动性，在工业检测、探索和城市空中交通领域得到了快速应用。另一方面，四旋翼不稳定且欠驱动的动力学特性使其极易受到系统故障的影响，尤其是旋翼失效。在这项工作中，我们提出了一种基于非线性模型预测控制（Nonlinear Model Predictive Control, NMPC）的容错控制器，用于稳定和控制遭受单个旋翼完全失效的四旋翼。与现有工作不同——它们要么依赖线性假设，要么采用忽略外环输入约束的级联结构——我们的方法利用了受损四旋翼的完整非线性动力学，并考虑了每个旋翼的推力约束。因此，该方法能够有效地从极端初始条件进行失控恢复。我们进行了大量的仿真和真实世界实验进行验证，结果表明，所提出的 NMPC 方法即使在故障发生于激进机动（如翻转和跟踪敏捷轨迹）期间，也能有效地恢复受损的四旋翼。