悬停状态下旋翼飞行机器人自适应鲁棒控制

针对加装二自由度绳驱动机械臂的旋翼飞行机器人在悬停条件下的抗干扰控制,提出了一种自适应终端滑模控制策略.将系统分成四旋翼飞行器和机械臂两个子系统,分别采用拉格朗日法与牛顿-欧拉法获得各自的动力学模型.在Lyapunov稳定性框架下设计了旋翼飞行器人的抗干扰轨迹跟踪控制器,并引人自适应策略来估计扰动上界.通过3个仿真算例验证了所设计控制器的有效性,结果表明,与其他控制器相比,本控制器具有较高的跟踪精度、较强的鲁棒性以及较好的抗干扰能力;机械臂质量的变化主要影响x通道和y通道的控制性能;本控制器基本能满足旋翼飞行机器人悬停作业的工作需求,具有一定的工程参考意义.     

四旋翼飞行器双环姿态稳定算法研究

针对四旋翼飞行器飞行姿态解算与控制,对飞行器的姿态进行了融合解算,并对解算所得到的姿态联合双闭环控制系统对飞行器进行了精准的控制,根据四旋翼飞行器的物理建模特性对飞行器姿态进行了详细分析,通过MEMS器件与嵌入式微控制器构建了飞行器原始数据获取与运算的硬件平台。区别于现有的模糊PID控制、经典PID控制等控制算法,本文设计了双闭环的四旋翼飞行器控制系统,这极大精简了其运算量,并在此基础上本文又增加了对原始数据的融合滤波处理,进而使得四旋翼飞行器的飞行姿态控制精度更高,抗扰动能力更强。     

基于改进的快速趋近律的四旋翼姿态控制

为了提高四旋翼控制系统的稳定性以及快速性,设计了基于改进的趋近律的控制器,以解决扰动下的四旋翼姿态控制问题。对四旋翼飞行器建模。根据系统的特征,将系统分成了全驱动和欠驱动两个子系统。分别利用改进的快速趋近律设计了控制器。仿真结果表明,控制器具有较好的控制效果,并且在动态性能方面能够快速地跟踪信号,抖振现象也得到了削弱。     

基于非线性扰动观测器的四旋翼姿态控制

针对存在模型不确定性和未知外界干扰下四旋翼飞行器的姿态控制问题,提出了一种基于非线性扰动观测器的快速连续非奇异终端滑模控制策略。通过非线性扰动观测器对外界干扰及系统不确定性进行平滑估计和补偿,提高系统的稳定性;利用非奇异终端滑模面有限时间收敛的特性设计控制律,保证系统的快速收敛;应用Lyapunov函数证明控制器的稳定性,对四旋翼的飞行动力学特征进行研究,推导出飞行动力学模型,引入人工蜂群算法来优化控制器中的参数,实现最优控制;最后,通过两个数值仿真实例验证了该控制器的有效性。结果表明,与其他控制算法相比,所提控制算法在收敛速度、跟踪精度及扰动估计精度方面均优于其他控制算法,具有一定的工程应用价值。     

基于扩张状态观测器的四旋翼无人机飞行控制系统研究

针对四旋翼飞行器的不确定和非线性控制问题,分析了非线性、强耦合和欠驱动等系统特性,同时基于非线性动态逆方法,进行四旋翼飞行器控制系统姿态和航迹控制研究。通过扩张状态观测器实现了对无人机的强干扰及参数摄动的精度补偿。仿真实验验证了它的有效性。     

四旋翼无人机串级变论域模糊PID姿态控制研究

为解决四旋翼无人机控制系统存在的鲁棒性差和控制精度低等问题,结合变论域思想、模糊PID算法和串级PID算法三者优点,提出了一种基于变论域模糊PID的串级姿态控制算法。建立了四旋翼无人机系统动力学数学模型,在模型的基础上设计串级变论域模糊PID控制系统,将不同的控制器组合,使用外环角度环和内环角速度环对四旋翼姿态进行控制。常规串级PID算法和串级变论域模糊PID算法设计的控制系统所得仿真曲线对比表明,串级变论域模糊PID控制方法能满足四旋翼飞行器响应速度快与稳定性高的要求,其超调量为8%,明显优于串级PID控制方法。     

基于四元数改进型互补滤波的MEMS姿态解算

针对四旋翼飞行器的姿态解算问题,设计了由STM32、陀螺仪、加速度计等组成的姿态测量单元,采用四元数法对姿态角进行描述,详细分析了姿态解算的过程,建立了系统及传感器模型,并在互补滤波算法的基础上,构造了一种改进型互补滤波器来完成姿态解算。实验测试表明,与传统的卡尔曼滤波算法和互补滤波算法比较,改进型互补滤波算法的数据平滑能力更强,收敛速度更快,有效地实现了飞行器姿态数据的融合,提高飞行器的姿态估计精度,满足了小型四旋翼飞行器姿态控制的要求,增强了系统的鲁棒性与稳定性。同时通过实际飞行实验,验证了算法的可行性。     

基于专家PID的直流无刷电机控制系统

由于直流无刷电机存在时变性、非线性、不确定性、难以建模等特点,采用常规的PID很难达到理想的控制效果。通过专家PID控制理论并结合实践研究,提出一种高性能的速度控制方案。基于多旋翼飞行器常用的无刷电机转速控制这一实验平台,采用编码器测速实现无刷电机的闭环控制。无刷电机速度PID控制器的引入,开辟了多旋翼飞行器电机控制和姿态控制的新思路。     

改进模型参考自适应控制及其在解耦控制中的应用

提出了一种基于扩张状态观测器(extended state observer,ESO)的任意参考模型自适应控制方法,解决了被控对象状态信息不可测以及存在不确定因素导致模型参考自适应控制(model reference adaptive control,MRAC)效果变差甚至使系统不稳定的问题。在简述ESO教学模型的基础上提出了基于ESO的模型参考自适应控制方法并进行了严格的稳定性分析,仿真结果表明所设计方法具有跟踪速度快、稳态误差小、控制量小以及参考模型容易选择等特点。然后,提出基于改进MRAC的解耦控制方法并应用于三输入三输出的四旋翼飞行器姿态控制系统解耦控制,仿真结果表明该解耦控制方法具有鲁棒性好的特点。该方法无需按照通常的做法设计神经网络对不确定因素导致的误差进行补偿,大大简化了控制器设计过程。     

一类非线性系统渐近稳定控制方法及其应用

研究了某一类非线性系统渐近稳定控制问题,首先对非线性系统模型的状态变量进行非线性变换,然后采用非线性状态反馈方法将原非线性系统变换为一渐近稳定的线性系统,得到了相应的非线性控制律。把本文研究的结果应用于某飞行器的姿态控制系统中,得到渐近稳定姿态控制律。最后通过仿真证明了本控制方法的有效性。     

Attitude Control of Quadrotor in Consideration of the Effects of a Pole Based on Limited Pole Placement

This paper introduces an attitude control technique for a quadrotor aircraft. Considering that the nonlinear characteristics of the aircraft makes it difficult to stabilize, a quadrotor controlled with an adaptive algorithm. Accordingly, we proposed a quadrotor application with backstepping based on the Lyapunov function. Furthermore, we designed a separate actuator control to be mounted on the aircraft for the control of the quadrotor. This approach is often used in industrial equipment. In particular, the limited pole placement (LPP) method is applied to design the controller considering the characteristics of the actuator. The representative simulation results are presented and discussed.     

基于四元数卡尔曼滤波的四旋翼姿态测量系统设计与实现

在嵌入式微小型四旋翼姿态测量系统中,姿态算法、系统冗余、硬件方案等直接影响了测量系统的性能和实用性。针对上述问题构建了一种兼具实用性、鲁棒性以及准确性的姿态测量系统。系统使用四元数卡尔曼滤波对微机电陀螺仪、微机电加速度计以及微机电磁力计进行数据融合处理,在硬件设计中采用双加速度计,并同时采用不同采样频率对其采样以增强系统的冗余性。仿真结果表明该数据融合方法的稳定性以及准确性,同时仿真数据表明系统的测量误差在0.5°以内,能够满足微小型四轴飞行器控制系统所需的姿态测量要求。     

Full dynamics and control of a quadrotor using quantitative feedback theory

Mathematical modeling and simulation of unmanned aerial vehicles, especially, quadrotor modeling are not a simple work because of their complex structure, nonlinear dynamics and under‐actuated features. This paper presents the development of a general parametric model of a quadrotor with complete dynamic. First, a new robust PID control strategy based on QFT as a robust controller design method is introduced and designed for a multivariable nonlinear quadrotor. Then, the robustness of the control strategy is verified by simulations of the linear and nonlinear cases in the presence of uncertainties. The results demonstrate that the proposed PID robust controller can guarantee system stabilization, as well as roll, pitch and yaw tracking, while the disturbance rejection of quadrotor is achieved properly. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Tracking control of vertical taking-off and landing vehicles with parametric uncertainty

This paper considers the position and attitude tracking control of a quadrotor with inertia parameter uncertainty. With the aid of the cascade structure of the dynamics of the system, an immersion and invariance observer is proposed to estimate the unknown mass of the system first. Secondly, a saturation controller is designed for the thrust force. Thirdly, a virtual controller is proposed for the angular velocity of the quadrotor with the aid of a nonlinear transform of the Euler angles. Finally, adaptive and robust controllers are proposed for the torque input of the quadrotor to deal with the unknown inertia moment of the system. Simulation results show the effectiveness of the proposed algorithms.     

Quaternion-based adaptive control for trajectory tracking of quadrotor unmanned aerial vehicles

The problem of trajectory tracking of aerial vehicles with four rotors and dynamic parameter uncertainties is addressed in this article. By exploiting the cascade structure of the translational and attitude dynamics of the quadrotor, a nonlinear hierarchical adaptive control is proposed. The attitude control law is designed based on the unit quaternion, therefore, the singularities of the Euler angles and angle-axis representation are avoided. Instead of relying on the stability properties of time-varying cascade systems, the stability of the whole closed-loop system is proven by an appropriate Lyapunov function. In addition, a novel method to compute the desired orientation based on the desired Cartesian trajectories and position control inputs is proposed. A set of simulations results are presented to assess the performance of the proposed adaptive controller.     

基于非线性抗扰滑模控制的永磁同步电机直接转矩控制

针对永磁同步电机(PMSM)内部参数不确定和外部干扰未知的问题,提出了一种基于非线性光滑扩张状态观测器(ESO)的非线性控制方法。通过引入非线性光滑函数设计了ESO,实现了对PMSM内部和外部不确定因素的观测,并把观测结果实时补偿给非线性控制器,有效提高了电机的动静态性能和抗扰能力。采用基于非线性光滑函数的滑模控制器替代传统直接转矩控制中的滞环控制器,有效地削弱了转矩和磁链的抖振和脉动。仿真结果表明所提方法响应速度快、稳定性好、抗扰能力强,是一种鲁棒性强的控制方法。     

一类具有高增益观测器的非线性系统的输出调节

针对具有由非线性外部系统产生的未知不确定性函数和未建模动态的非线性不确定系统,研究了其跟踪和干扰抑制问题。首先运用状态变换将输出调节问题转化为非线性系统的镇定问题,接着引入动态信号解决了动态扰动,并设计出高增益的状态观测器去估计不可测的状态。然后根据外系统信息设计自适应的非线性内模,结合自适应控制理论、Backstepping设计方法、模糊控制方法和Lyapunov法给出了输出反馈的自适应模糊控制器和自适应控制律,所提出的输出反馈控制器和自适应律能够实现整个闭环系统的跟踪和干扰抑制,并使得跟踪误差能渐近收敛到给定的任意小的领域内。最后仿真结果验证了所提出的控制器的有效性。     

鸭式布局无人机直接升力控制系统设计

传统固定翼无人机纵向控制系统的耦合度较高,这是由于升力的改变必须通过机体姿态变化得到。本文根据某鸭式布局无人机模型设计了经典直接升力控制律,实现了飞机飞行轨迹和姿态之间的稳态解耦,提高了高度控制通道的动态响应,并且采用副翼同时同向偏转的方式提供了更大的直接升力,获得更快的纵向系统响应。提出了采用显模型跟踪解耦系统设计无人机直接升力控制系统方案,实现纵向位置控制和姿态控制动态解耦,仿真结果表明,本文设计的显模型跟踪解耦系统解耦性能较高,并且对于气动参数摄动具有较强的鲁棒性,位置控制和姿态控制的动态性能良好。