随着科学技术的快速发展与进步,四旋翼飞行器的成熟度和功能性变得日趋完善。凭借其简单的结构、低廉的成本、优良的操纵性和机动性等优点,四旋翼飞行器在民用和军事领域都取得了广泛的应用。随着其应用领域的不断扩展,人们对四旋翼飞行器的安全性、可靠性及可用性的要求也越来越高。然而,由于其工作环境恶劣、电子器件不稳定和执行机构易老化等原因,这使得四旋翼飞行器出现故障的可能性大大增加。作为确保四旋翼飞行器安全飞行的关键技术,故障诊断与容错控制方法的研究显得尤为重要。因此,本文以四旋翼飞行器为研究对象,针对常见的传感器和执行器故障,建立了相应的故障模型,提出了一系列切实可行的故障诊断方法和容错控制技术。论文的主要研究成果包括:1.针对传感器故障,提出一种基于两级扩展卡尔曼滤波算法的非线性故障诊断方法,其特点是整个诊断方法建立在四旋翼飞行器的运动学模型基础之上,可避免传统方法因动力学模型建模误差的影响。首先,借助两级卡尔曼滤波器的工作原理,推导出一种两级扩展卡尔曼滤波算法。然后,为弥补其对时变故障不敏感的缺点,将遗忘因子算法与推导的滤波算法相结合,进一步设计出两种改进的两级扩展卡尔曼滤波算法。最后,在在真实的四旋翼飞行实验平台上对常见的传感器偏差故障、漂移故障及振荡故障给予了验证,分析了所设计故障诊断方法的有效性。2.针对执行器故障,提出一种基于自适应三级卡尔曼滤波算法的鲁棒故障诊断方法。首先,建立了外界干扰和执行器效率损失故障影响下的四旋翼飞行器动力学模型。然后,通过将外界干扰和执行器效率损失因子看作附加的系统状态向量,设计出一种自适应增广卡尔曼滤波算法。为了降低该滤波算法的计算量,利用三级U-V变换算法将其分解,进一步得到一种自适应三级卡尔曼滤波算法。仿真结果表明,设计的基于自适应三级卡尔曼滤波算法的故障诊断方法具有良好的故障检测和估计能力,即使在阵风等外界干扰的情况下,该故障诊断方法依然可以准确地给出执行器故障信息。3.针对传感器及执行器故障,提出一种基于改进交互多模型滤波算法的故障诊断方法。建立了具有传感器故障和执行器故障的四旋翼飞行器动力学模型。根据故障类型设计出含有正常、传感器故障及执行器故障的模型集合库,克服了传统交互多模型故障诊断方法中模型集合库规模过大的缺点。并在此基础上,结合模型集合库中模型的特点,有针对性地设计出交互多模型滤波算法中的各个子滤波器。通过切换逻辑获得最匹配的故障模型,并给出故障的位置和幅值。仿真结果表明,该故障诊断方法能快速、准确地估计出各类故障,为容错控制奠定坚实的基础。4.针对传感器故障下的轨迹跟踪问题,提出一种基于滑模控制算法和三步无迹卡尔曼滤波算法的非线性容错控制方法。为实现四旋翼飞行器的轨迹跟踪,容错控制方法采用内外环控制架构,即内环为姿态控制子系统,外环为位置控制子系统;以跟踪误差及其一阶导数构建滑模面,迫使系统状态按照期望的轨迹运动。采用三步无迹卡尔曼滤波算法构造故障诊断单元,实时诊断传感器故障,并利用其提供的故障信息,在线更新滑模控制律,消除传感器故障带来的不利影响。仿真结果表明,无论在正常工作或故障模式下,该容错控制方法都具有良好的轨迹跟踪效果。5.针对执行器故障下的轨迹跟踪问题,提出一种基于模型参考自适应、径向基神经网络及两级卡尔曼滤波算法的鲁棒容错控制方法。该容错控制方法采用模型参考自适应算法设计基本控制器,保证了系统在无执行器故障时的稳定性和跟踪能力。为增强控制器的鲁棒性,将径向基神经网络引入到基本控制器,在线辨识模型的不确定性,修正参考模型,降低了模型不确定性对跟踪效果的影响。利用两级卡尔曼滤波算法诊断执行器故障,并基于故障信息设计故障补偿机制,重构控制律,保证了系统在执行器故障时具有良好的容错能力。仿真结果表明,即使在模型不确定性、执行器故障或两者同时存在的情况下,该容错控制方法都可以使四旋翼飞行器具有良好的轨迹跟踪能力。论文深入探究了故障诊断与容错控制的新方法,提高了四旋翼飞行器系统的可靠性。该研究成果不仅适用于四旋翼飞行器,而且对于固定翼飞行器的故障诊断与容错控制系统设计也具有较好的理论借鉴意义。