无人机控制权限饱和与积分饱和监测

本项目面向无人机在高机动、低电压或执行器受限时“指令发出但姿态跟不上”的问题。模块比较期望与实际滚转/俯仰角速度，并结合电机饱和比例、积分器幅值和单体最低电压，判断控制权限是否下降。

1. 风险模型

  • 跟踪误差：期望与实际滚转/俯仰角速度向量的相对差；
  • 饱和比例：电机输出接近上限的程度；
  • 积分饱和：控制器积分项相对配置上限的占比；
  • 电压下降：单体最低电压低于安全区间时的归一化风险。

状态迁移为：

NOMINAL → REDUCED_AUTHORITY → SATURATION_RISK → CRITICAL_AUTHORITY

当电机饱和 ≥ 0.92 且跟踪误差或积分饱和明显时，可立即进入 CRITICAL_AUTHORITY。

2. ROS 2 接口

话题 类型 方向 说明
/uav_control/authority_sample std_msgs/String 输入 期望/实际角速度、饱和、积分和电压
/uav_control/authority_assessment std_msgs/String 输出 风险、权限比例和状态
/uav_control/authority_advice std_msgs/String 输出 继续、限制机动、撤销机动或稳定下降

3. 构建与运行

source /opt/ros/humble/setup.bash
colcon build --symlink-install --packages-select uav_control_authority_guard
source install/setup.bash
ros2 launch uav_control_authority_guard main.launch.py duration:=18

CSV 默认写入 /tmp/uav_control_authority_runtime.csv。

当 duration 大于 0 时，模拟器结束会触发整个 launch 自动关闭；默认 duration:=0.0 表示持续运行，此时使用 Ctrl+C 手动停止。

4. Humble 虚拟机实测

Ubuntu 22.04.5 / ROS 2 Humble 下真实构建成功，VM 内 8 项 unittest 全部通过。ros2 launch 启动两个节点，运行 18 秒并记录 180 条状态。

实际状态迁移：

NOMINAL → REDUCED_AUTHORITY → CRITICAL_AUTHORITY → REDUCED_AUTHORITY → NOMINAL

故障段控制风险达到约 0.66，电机饱和接近 0.96；恢复后控制权限比例回到 0.95 左右。

VM 内实际终端截图同时记录了 Ubuntu/ROS 版本、colcon build、8 项单元测试、两个节点启动、实际状态迁移和 CSV 尾部：

ROS 2 Humble 虚拟机控制权限实测终端

根据同一轮 CSV 生成的控制权限曲线：

ROS 2 Humble 实际控制权限状态

5. 限制

  1. 命令、响应和饱和数据均来自确定性仿真，没有接入真实飞控日志。
  2. 角速度环带宽、执行器动态、机体惯量变化和风扰没有完整建模。
  3. 积分器比例是配置估计值，不是从具体 PID 控制器内部直接读取。
  4. 电压下降只作为风险因素，未实现电芯级故障诊断。
  5. 输出不直接发送姿态、电机或降落命令，必须由飞控安全逻辑独立处理。

6. 大模型使用声明

使用 OpenAI Codex 辅助完成代码、测试、文档和运行图生成；作者已逐项复核代码、参数和结果，并对提交内容、数据真实性和后续维护负责。