无人机航迹跟踪控制与仿真

对于无人机的精确航迹跟踪问题进行了研究。系统分为基本姿态控制器设计和制导系统设计两个部分进行研究。利用多重时间尺度奇异摄动理论，结合非线性动态逆方法设计了基本姿态控制器，包括快逆回路和慢逆回路两部分。由引导飞机沿期望航迹的指令加速度解算出跟踪指令航迹所需要的制导力，求出飞机改变姿态所需的控制指令，作为基本姿态控制器的输入。针对某无人机模型进行了机动航迹跟踪仿真验证，仿真结果显示系统能够较好的跟踪指令机动航迹。证明了该方法的有效性和实用性。     

无人机编队队形保持变换控制器设计

研究无人机编队队形保持变换的控制设计问题.由于控制系统队形跟踪应保证姿态的稳定性,针对两架无人机在“长机-僚机”编队结构中的左菱形编队飞行控制系统,为了有效控制飞行队形,保持变换,提出了根据编队飞行的几何关系推导编队相对运动学方程,结合无人机的自动驾驶仪模型建立了相应的编队飞行线性化数学模型.采用PID控制方法分别对速度、航向和高度设计了一种能通过控制编队间距实现队形变换的三维编队队形保持变换的控制器,并进行仿真.仿真结果表明所设计的控制器能够有效地控制无人机编队,在飞行过程中可以稳定地保持队形,并能根据任务要求合理进行编队,并无碰撞,为设计提供了依据.     

基于非线性动态逆的无人机编队协同控制

针对多无人机在空间机动过程中的编队形成与保持控制问题,提出一种基于非线性动态逆的无人机编队控制方法.将编队控制过程分解为两步:首先给出分布式长机状态估计算法,各编队无人机根据"相邻"无人机状态解算自身的期望运动指令;其次是设计接于非线性动态逆的编队控制器,使各无人机快速跟踪其期望指令并形成和保持稳定队形.仿真实验表明,编队长机进行空间机动过程中,各僚机能够准确估计其状态,快速形成并维持队形稳定.     

基于整形器的两轴柔性航天器自适应姿态控制

针对非线性柔性航天器大角度姿态机动问题,为了抑制在高速运动中产生的振动,提出了一种整形参考轨迹和自适应滑模姿态跟踪控制方法.跟踪过程中所使用的期望姿态角是由最优任意时延(Optimal Arbitrary Time-delay,OAT)输入整形器整形所得参考指令作用于参考模型得到,利用该期望姿态角能够得到更好地跟踪和抑制振动效果.针对非线性柔性航天器参数的未知时变特性和欠驱动特性,设计的自适应滑模控制器不仅能够完成期望的姿态角跟踪,同时还能够有效抑制姿态机动过程中的振动,并应用于单轴非线性柔性航天器的大角度姿态控制系统,并进行了仿真验证.结果表明,所提出的方法是可行而有效的.     

四旋翼无人机抗干扰轨迹跟踪控制

针对四旋翼无人机轨迹跟踪过程中存在的参数不确定与外界干扰问题,设计一种双闭环自适应控制策略.为了降低控制器设计复杂度,根据四旋翼无人机系统的欠驱动特性将系统分成姿态内环和位置外环.在扰动观测器的基础上,利用积分型反步控制算法完成无人机位置信息在外界干扰下的稳定跟踪控制.在扰动观测器的基础上,利用自适应滑模控制算法完成无人机姿态信息在参数不确定和外界干扰作用下的稳定跟踪控制.与传统PID控制和滑模控制进行仿真对比,验证所提出控制策略的优越性.     

航天器平移及姿态机动自适应终端滑模控制

研究了用于航天器平移及姿态机动的自适应终端滑模控制方法.通过在广义准坐标下建立拉格朗日方程得到了刚体航天器平移及姿态耦合运动的动力学方程.能对存在模型不确定性和环境扰动下的航天器实现平移和姿态机动.该自适应过程包括对不确定性和干扰的估计、有效抑制传统滑模控制的抖振现象.利用李雅普诺夫稳定性理论证明了控制器的可达性和稳定性.通过航天器的位置以及姿态跟踪的数值仿真,验证了所设计控制器的有效性和准确性.     

固体推进器的拦截器末制导目标搜索研究

研究对末制导目标搜索优化控制问题,由于目标捕获是大气层外拦截器在中末制导交接班时必须完成的工作,针对制导交接班时的目标搜索算法和对应的快速姿态机动控制方法进行了研究.根据目标相对拦截器位置的概率分布,设计了一种考虑目标-拦截器相对运动的目标搜索算法.并以搜索时间、捕获概率为控制器指标,拦截器的姿态机动能力为基础,利用算法调节参数的选择.根据固体推进器拦截器的姿态运动特点,并给出了最终滑模控制的姿态跟踪控制器.并对搜索算法与姿控系统进行拦截器目标捕获数字仿真,分析了拦截器姿态跟踪的性能,以及搜索时间与目标位置的关系.结果表明,姿态跟踪误差小于0.5°,控制精度高,快速性好,可为搜索算法与拦截器姿控系统设计提供了科学依据.     

欠驱动自主水面船的非线性路径跟踪控制

基于级联方法提出一种欠驱动自主水面船的全局K指数稳定路径跟踪控制算法.采用以自由路径参考点为原点的Serret-Frenet坐标系建立路径跟踪误差的动态模型,以路径参数的变化率为附加控制输入,克服了以正交投影点为坐标原点时的奇异值问题.设计路径跟踪航向角指令,将路径跟踪模型分解为位置跟踪子系统和航向角、前向速度跟踪子系统两个子系统级联的形式,设计航向角和前向速度的全局指数稳定跟踪控制器,应用级联系统理论证明了路径跟踪误差的全局K指数稳定性.数学仿真和自主水面船湖上实验结果验证了该路径跟踪控制算法的有效性.     

四旋翼无人机的自适应反步跟踪控制北大核心CSCD

针对四旋翼无人机存在外界干扰情况下的姿态和位置的跟踪控制问题,提出了自适应反步控制策略。首先,通过对四旋翼无人机模型的分析,将其转化为带有外界干扰的严反馈形式;其次,采用自适应技术,实现对未知外界干扰上界的估计,并结合反步控制,分别设计姿态和位置的跟踪控制器;再次,基于Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的渐近稳定性;最后,通过数值仿真验证了所设计控制策略的有效性。仿真结果表明所设计的控制器具有较好的鲁棒性和跟踪性能。     

一种基于动力学模型的高速轮式移动机器人漂移运动控制方法

针对高速轮式移动机器人,提出了一种漂移运动控制方法.首先以统一轮胎模型为基础建立了移动机器人在复杂工况下的动力学模型;针对系统模型非线性、强耦合等特点,利用反馈线性化的方法设计了一种基于动力学模型的漂移运动控制器,该控制器实现了对目标姿态角及角速度的跟踪控制;针对现有视觉、GPS等测量手段实时性差、不能满足漂移运动任务的缺点,设计实现了位置速度测量单元.仿真及实验验证了该控制器的有效性.     

四旋翼无人机鲁棒自适应姿态控制

 四旋翼无人机的姿态控制是自主飞行控制的核心,针对四旋翼姿态易受外界环境干扰和内部参数摄动等不确定性影响的问题,设计了一种鲁棒自适应反步控制器,以提高四旋翼的鲁棒性。建立了四旋翼完整的姿态运动模型,并将其转化为含有广义不确定性的多输入多输出非线性系统。根据该系统满足严格反馈的结构特点,设计了反步控制器; 针对系统中存在的外部干扰和内部参数摄动等不确定性,引入了一类鲁棒自适应函数来抵消该不确定性对系统的影响; 采用非线性跟踪微分器估计虚拟控制量的微分信号,减小了反步控制器设计中普遍存在的“计算膨胀”问题; 通过构造Lyapunov 函数证明闭环系统是稳定且指数收敛的。仿真结果表明,所设计控制器具有良好的控制效果和鲁棒性。     

四旋翼无人飞行器的轨迹跟踪与滑模事件驱动控制

四旋翼飞行器作为一个典型的欠驱动的系统,具有强耦合、非线性等特性.针对飞行器外部干扰、和通信资源受限条件下的轨迹跟踪控制问题,进行滑模事件驱动控制方法的研究.首先,分析动力学特性,通过时间尺度分解方法将系统解耦成位置子系统和姿态子系统.其次,将位置子系统转化为严格反馈形式,设计反步滑模控制器,实现位置轨迹稳定跟踪;针对姿态子系统存在时变有界扰动及通信受限,设计滑模事件驱动控制律,在抑制干扰的同时实现对虚拟姿态跟踪指令的跟踪.根据Lyapunov分析方法证明了所设计控制器的稳定性,并通过理论分析证明闭环控制系统不会出现Zeno现象.最后,仿真结果验证了滑模事件驱动控制律在存在外部扰动和通信受限时四旋翼无人飞行器轨迹跟踪的鲁棒性.     

基于PD-ADRC的四旋翼控制器设计

针对四旋翼无人机强耦合、非线性的控制难点,研究设计了一种基于自抗扰控制和比例微分控制的双闭环控制器。首先,分析了小型四旋翼飞行器动力学模型,确定四旋翼无人机的六自由度方程。然后,利用自抗扰控制技术对强耦合、非线性的姿态模型进行了解耦,设计扩张状态观测器对其总扰动进行观测与补偿。其次,设计比例微分控制器对解耦后的系统进行位置跟踪,从而与姿态控制器组成双闭环系统。最后,通过仿真及试飞实验测试系统性能。仿真和试飞结果表明该系统能够完成对控制指令的实时跟踪,并且对干扰具有极强的抑制力。     

Tracking of a moving ground target by a quadrotor using a backstepping approach based on a full state cascaded dynamics

In this paper, a tracking controller is formulated for a quadrotor to track a moving ground target. The quadrotor exhibits distinct hierarchical dynamics that allows its position to be controlled by its attitude. This motivates the use of backstepping control on the underactuated quadrotor. Most backstepping architecture controls the quadrotor position and attitude independently, and couples them with inverse kinematics. Inverse kinematics computes the attitude angles required to achieve a desired acceleration. However unmodeled effects are shown to cause inexact inversion resulting in tracking error. The approach proposed in this paper uses a re-formulated full state cascaded dynamics to eliminate the need for inverse kinematics in a full state backstepping control architecture. It is shown that zero steady state error is achieved in the presence of unmodeled aerodynamics effect and wind disturbance despite no integral action. In addition, a backstepping formulation is derived using contraction theory that guarantees the boundedness of state response under bounded disturbances such as wind. This improves the system performance. Numerical simulations are performed using the proposed controller to track a target moving along predefined paths and the results are compared with a benchmark controller derived using inverse kinematics. The results show that the proposed controller is able to achieve better tracking performance under unmodeled aerodynamic effects and wind disturbance as compared with the benchmark controller.     

Quaternion-based robust trajectory tracking control for uncertain quadrotors

This paper presents a robust nonlinear controller design approach for uncertain quadrotors to implement trajectory tracking missions. The quaternion representation is applied to describe the rotational dynamics in order to avoid the singularity problem existing in the Euler angle representation. A nonlinear robust controller is proposed, which consists of an attitude controller to stabilize the rotational motions and a position controller to control translational motions. The quadrotor dynamics involves uncertainties such as parameter uncertainties, nonlinearities, and external disturbances and their effects on closed-loop control system can be guaranteed to be restrained. Simulation results on the quadrotor demonstrate the effectiveness of the designed control approach.     

A Novel Robust Attitude Control for Quadrotor Aircraft Subject to Actuator Faults and Wind Gusts

A novel robust fault tolerant controller is developed for the problem of attitude control of a quadrotor aircraft in the presence of actuator faults and wind gusts in this paper. Firstly, a dynamical system of the quadrotor taking into account aerodynamical effects induced by lateral wind and actuator faults is considered using the Newton-Euler approach. Then, based on active disturbance rejection control (ADRC), the fault tolerant controller is proposed to recover faulty system and reject perturbations. The developed controller takes wind gusts, actuator faults and measurement noises as total perturbations which are estimated by improved extended state observer (ESO) and compensated by nonlinear feedback control law. So, the developed robust fault tolerant controller can successfully accomplish the tracking of the desired output values. Finally, some simulation studies are given to illustrate the effectiveness of fault recovery of the proposed scheme and also its ability to attenuate external disturbances that are introduced from environmental causes such as wind gusts and measurement noises.      

用于清洗绝缘子的四旋翼无人机抗回冲力控制

本文主要针对利用四旋翼无人机清洗绝缘子时受到的回冲力干扰及姿态控制问题,提出了一种用于清洗绝缘子的无人机抗回冲力控制方法.对于无人机系统,本文运用非线性控制方法中的反步法来设计姿态控制器,使其达到输入状态稳定,并对外部扰动具有鲁棒性.本文首先根据无人机运动模型建立了其动力学方程.之后,运用动量定理和流体力学中的伯努利方程对所受的回冲力进行建模.然后,运用反步法设计姿态控制器并证明其稳定性.最后,运用MATLAB对无人机系统进行仿真实验,其结果证明了文中所提出的控制方法的有效性和鲁棒性.本文所提出的控制方案可以避免目前已有的一些技术存在的缺陷,并且为无人机抗扰动控制和绝缘子冲洗都提供了发展空间.     

Model‐assisted extended state observer and dynamic surface control–based trajectory tracking for quadrotors via output‐feedback mechanism

In this paper, an output‐feedback trajectory tracking controller for quadrotors is presented by integrating a model‐assisted extended state observer (ESO) with dynamic surface control. The quadrotor dynamics are described by translational and rotational loops with lumped disturbances to promote the hierarchical control design. Then, by exploiting the structural property of the quadrotor, a model information–assisted high‐order ESO that relies only on position measurements is designed to estimate not only the unmeasurable states but also the lumped disturbances in the rotational loop. In addition, to account for the problem of “explosion of complexity” inherent in hierarchical control, the output feedback–based trajectory tracking and attitude stabilization laws are respectively synthesized by utilizing dynamic surface control and the corresponding estimated signals provided by the ESO. The stability analysis is given, showing that the output‐feedback trajectory tracking controller can ensure the ultimate boundedness of all signals in the closed‐loop system and make the tracking errors arbitrarily small. Finally, flight simulations with respect to an 8‐shaped trajectory command are performed to verify the effectiveness of the proposed scheme in obtaining the stable and accurate trajectory tracking using position measurements only.     

饱和输入下四旋翼无人机滑模轨迹跟踪控制

为解决四旋翼无人机在饱和输入下的轨迹跟踪控制问题,同时兼顾系统存在的参数不确定性和外部风力扰动影响,设计了一种改进的抗干扰自适应鲁棒滑模控制方法;基于六自由度架构,设计四旋翼无人机简化的系统模型,进而降低控制器设计的复杂程度;引入带有误差信号的滑模函数,设计带有误差信号的饱和补偿自适应控制律,同时增加鲁棒控制项,降低由于饱和输入问题带来的抖振影响,并减小参数不确定和外部风力扰动对系统稳定性的影响;系统模型与抗干扰自适应控制律相结合,形成了改进的抗干扰自适应鲁棒滑模控制策略,实现四旋翼无人机的位置轨迹和姿态轨迹的稳定跟踪;最后通过数值仿真与传统PD控制算法进行仿真比较,验证控制方法的有效性和优越性。