星空体育折翼的无人机还能飞？北航团队：当然可以！巡视自然、守护生命、航拍万物、高空作业……在航拍、植保、监测、巡检、物流星空体育、载人等各个领域，无人机正发挥着不可或缺的作用。
然而，多旋翼飞行器的关键部件——作为执行机构的螺旋桨和电机，在实际运行过程中会受到各种外界环境的影响，例如高温、风沙、日晒、雨水、腐蚀、碰撞等，突发故障时有发生，进而导致飞行器失控坠机。随着近年来无人机的广泛应用，失控坠机危及人民群众财产和安全的事件也时有发生。由于四旋翼飞行器的旋翼不存在冗余，这种威胁更显得尤为突出。
就提高四旋翼飞行器的可靠性问题，利用剩余可用旋翼，增加容错控制设计是一种重要的手段。这种手段的优点在于，不需要对四旋翼飞行器进行硬件上的调整星空体育，仅仅依靠控制设计便可提高四旋翼飞行器的安全性和容错性。在容错控制的应用中，需要设计算法，完成检测故障、定位故障和程度、根据故障进行控制重构三个步骤：
飞行情境复杂繁琐，而又瞬息万变，这一过程的实现显得尤为艰难，对于过程耗时、故障诊断和结构要求严格：如果检测故障、定位故障和程度耗时过长，那么将不能快速进入控制重构状态，飞行器坠机会先行一步；故障诊断同样不容失误，一旦定位故障位置和故障程度的结果与实际情况存在偏差，控制重构将无法正确执行，无法有效解决飞行器故障带来的坠机问题；结构也应“面面俱到”，为了让容错能够最大程度覆盖各种执行机构故障情形，需要针对所有可能的故障情境来设计不同的控制策略，但这样便使得程序复杂，维护难度大大增加。
面对重重困难星空体育，团队逢山开路、遇水架桥，在容错飞行控制和算法验证上取得了重要突破，成功地设计出一种统一的被动容灾控制算法。在实际应用中，该算法还可以轻松拓展到如六旋翼、八旋翼这种旋翼数量更多的飞行器上。
四旋翼飞行器的任一旋翼失效，将直接导致飞行器受力不平衡，无法保持安全飞行姿态。以往的解决方法是预先计算不同旋翼故障的平衡点，据此进行不同的控制，这要求针对不同情况进行单独设计，并且需要在不同的情况下切换不同的。但是实际生活中四旋翼飞行器可能遇到的执行机构故障多种多样，难以穷尽，针对每一种故障情形设计不同的控制策略是不现实的。
究其根本、溯其源头，团队选择回归到最原始的飞行状态寻求解决方案。正如陀螺转动是旋转前行，当部分旋翼发生故障停滞不前时，飞行器的平衡被打破，也会进入旋转状态。如若顺势而为，不去检测、诊断复杂多变的故障情形，而是依靠剩余旋翼维持稳定的旋转状态，从而实现像陀螺一般飞行。
由此，团队另辟蹊径，归纳出四旋翼飞行器执行机构发生故障后的受力特点，针对该特点进行了容错控制设计。最终，团队设计出的容错控制方法能够在不依赖故障检测、故障诊断的情况下，自主地实现不同执行机构故障下的容错控制，避免飞行器坠机。
实验验证是四旋翼飞行器容错控制研究的一大难点。相较于其他控制算法研究，容错控制研究在验证测试阶段极易造成飞行器坠毁。一旦坠毁，前期投入的资源便付诸东流，这就导致验证工作需要消耗大量的人力物力，设计出一套成熟的容错控制算法往往成本高昂。同时，飞行转台一类的飞行模拟测试设备通常也具有测试复杂、灵活性低、费用昂贵的特点。
针对这一痛点，团队开发了一整套实时硬件在线仿真测试平台，该平台成本低廉、具备满足容错控制研究的仿真精度，且灵活性强。
这种被动容灾控制算法在理论上通过了稳定性证明，同时在户外的实践检验中，效果也十分显著。在最糟糕的情况下，三个螺旋桨完全失去动力，四旋翼飞行器依旧具备一定的方位控制能力，确保飞行器能够安全地飞行和降落。这是世界上首次在户外成功做到的、故障程度最严重的四旋翼飞行验证。
控制方法不依赖旋翼的故障检测与诊断结果就可发挥作用，也不依赖于具体的故障信息。利用这种被动容灾控制算法，旋翼故障被建模为一个集总扰动，估计的扰动会被统一被动故障容错控制所采用，避开了获取每个旋翼的具体故障信息所带来的问题。然而，如果对集中扰动进行完全补偿，无法保证在两个或三个旋翼故障的情况下飞行器的稳定性。通过引入期望旋翼推力的反馈从而实现部分集总扰动的补偿，保证了具有多个旋翼故障的四旋翼飞行器的稳定性。
对正常及不同故障的四旋翼飞行器，利用团队设计的这种算法可以使用完全相同的来实现控制。由于不需要针对不同的旋翼故障场景设计不同的容错，整体设计过程得到了简化。
针对单旋翼、相邻双旋翼、对角双旋翼以及三旋翼故障的飞行情境，团队创造的统一被动容错算法不仅完成了仿真平台的室内测试，更创造了户外故障程度最严重的四旋翼飞行验证的历史。在无人机、低空经济越发火热的大势所趋下，如何提高无人机的安全性和可靠性，该研究给我们提供了一个答案。
研究聚焦于无人机的可靠飞行控制，北航柯晨旭博士为论文的的第一作者，北航蔡开元教授为论文的第二作者，北航全权教授为论文的通讯作者。工作受国家自然科学基金支持，北航为研究论文的唯一单位。
螃蟹壳也能发电？北航成果发表《Nano Energy》！ “手到擒来”的“章鱼臂”！北航成果发表《科学·机器人》 快速诊断新冠/流感，北航成果发表Nature子刊！
