基于浸入和不变技术的非线性跟踪控制

为实现欠驱动四旋翼飞行器的位置及偏航渐近跟踪,本文基于浸入和不变技术(immersion and invariance,II)提出非线性跟踪控制方法.针对四旋翼飞行器的欠驱动特性,设计了内/外环分别为姿态和位置的双闭环结构,并采用浸入和不变技术构建内/外环的稳定跟踪控制器,利用李雅普诺夫定理保证闭环系统的渐近稳定性.最后,在MATLAB/Simulink环境下进行数值仿真,验证了II控制方案的有效性.     

小型四旋翼无人机双闭环轨迹跟踪与控制

近年来, 无人飞行器控制繁荣发展对控制精度与品质要求日益增高. 为了应对这一挑战, 本文基于奇异摄 动的思想设计了四旋翼无人机非线性轨迹跟踪控制器. 首先, 基于牛顿欧拉定律建立了四旋翼无人飞行器非线性 奇异摄动形式的数学模型. 然后, 引入奇异摄动理论, 通过时间尺度分解的方法将系统解耦成内环快子系统和外环 慢子系统. 再者, 根据非线性动态逆的思想分别建立快、慢伪线性子系统, 并基于此分别设计外环轨迹跟踪、内环稳 定子控制器, 综合子控制器生成应用于原系统的全阶控制器以兼顾跟踪精度和鲁棒特性. 针对内环快系统, 采用线 性二次调节控制器以实现稳定快速地控制飞行器旋转动态; 针对外环慢系统, 运用经典的比例–微分–积分控制器 以跟踪所给定的轨迹. 最后给出了仿真实例说明本文结论的有效性.     

小型四旋翼无人机双闭环轨迹跟踪与控制（英文）

近年来,无人飞行器控制繁荣发展对控制精度与品质要求日益增高.为了应对这一挑战,本文基于奇异摄动的思想设计了四旋翼无人机非线性轨迹跟踪控制器.首先,基于牛顿欧拉定律建立了四旋翼无人飞行器非线性奇异摄动形式的数学模型.然后,引入奇异摄动理论,通过时间尺度分解的方法将系统解耦成内环快子系统和外环慢子系统.再者,根据非线性动态逆的思想分别建立快、慢伪线性子系统,并基于此分别设计外环轨迹跟踪、内环稳定子控制器,综合子控制器生成应用于原系统的全阶控制器以兼顾跟踪精度和鲁棒特性.针对内环快系统,采用线性二次调节控制器以实现稳定快速地控制飞行器旋转动态;针对外环慢系统,运用经典的比例–微分–积分控制器以跟踪所给定的轨迹.最后给出了仿真实例说明本文结论的有效性.     

基于模糊不确定观测器的四旋翼飞行器自适应动态面轨迹跟踪控制

针对具有未知外界扰动和系统不确定性的四旋翼飞行器,提出了一种基于模糊不确定观测器（Fuzzy uncertainty observer,FUO）的自适应动态面轨迹跟踪控制方法.通过将四旋翼飞行器系统分解为位置、姿态角和角速率三个动态子系统,使得各子系统虚拟控制器能够充分考虑欠驱动约束;采用一阶低通滤波器重构虚拟控制信号及其一阶导数,实现四旋翼跟踪控制设计的迭代解耦;设计了一种模糊不确定观测器,用以估计和补偿未知外界扰动与系统不确定性,从而确保闭环系统的稳定性和跟踪误差与其他系统信号的一致有界性.仿真研究验证了所提出的控制方法的有效性和优越性.     

基于反步法的四旋翼飞行器轨迹跟踪研究北大核心CSCD

在四旋翼飞行器航迹跟踪优化控制的研究中,四旋翼飞行器具有欠驱动和强耦合的特点,在对设定轨迹进行跟踪时,容易出现控制精度较低、抗干扰能力差等问题。针对以上问题,设计了一种采用反步法的轨迹跟踪方法,运用牛顿-欧拉公式建立四旋翼飞行器的动力学模型,将四旋翼飞行器的飞行控制系统分解为上下、前后、左右、偏航四个子系统,应用反步算法为四个子系统配置控制律,实现四旋翼飞行器对设定轨迹的精确跟踪。实验结果表明,所提算法能够让四旋翼飞行器实现对所设定轨迹精确的跟踪,最大跟踪误差不超过6cm。     

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.     

四旋翼飞行器有限时间命令滤波反步控制北大核心CSCD

针对具有参数不确定性和外部干扰的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于命令滤波的有限时间自适应控制策略。通过引入有限时间命令滤波器,实现了对虚拟控制信号导数的快速逼近,进而有效地避免了传统反步设计法中存在的维数爆炸问题。设计新的分数阶误差补偿机制,快速移除了滤波误差影响,进一步提高了系统的控制性能。利用有限时间稳定性理论,严格证明了闭环系统中所有信号在有限时间内有界,且位置及姿态跟踪误差在有限时间内收敛到原点附近的邻域内。最后,仿真比较算例验证了所提控制方案的有效性。     

平面四旋翼无人飞行器运送系统的轨迹规划与跟踪控制器设计

对于四旋翼无人飞行器运送系统而言,需要保证飞行过程中负载的摆幅维持在适当的范围内,并且在飞行器到达目的地后负载无残余摆动.本文针对四旋翼无人飞行器运送系统,提出了一种新颖的轨迹规划与跟踪控制方法.论文首先得到了平面四旋翼无人飞行器的运动特性与负载摆角之间的非线性耦合关系.通过相平面内的几何分析,分别设计了两个轴方向上的分段式加速度轨迹.这种轨迹具有简洁的解析表达式并可获得较高的运送效率,同时满足飞行器的速度,加速度等物理约束.为了使四旋翼无人飞行器准确跟踪规划好的轨迹,本文基于反步法设计了一种非线性跟踪控制器,并通过李雅普诺夫方法对其闭环稳定性进行分析,证明其能使跟踪误差指数收敛于零.论文最后通过仿真结果验证了本文所提出方法的可行性与有效性,及其对外界干扰的鲁棒性.     

四旋翼飞行器自适应动态面轨迹跟踪控制

针对具有未知外界扰动和系统不确定性集总未知非线性的四旋翼飞行器,提出了一种采用自适应不确定性补偿器的自适应动态面轨迹跟踪方法.通过将四旋翼飞行器系统分解为位置、欧拉角和角速率3个动态子系统,使各子系统虚拟控制器设计能充分考虑欠驱动约束;结合动态面控制技术,通过采用一阶低通滤波器,避免对虚拟控制信号求导;进而设计自适应不确定性补偿器,处理未知外界扰动和系统不确定性,最终确保闭环控制系统的稳定性、跟踪误差一致最终有界和系统所有状态信号有界.仿真研究和实验结果验证了本文提出控制方法的有效性和优越性.     

输入受限下的无人机编队控制方法研究

针对多旋翼飞行器在轨迹跟踪过程中控制输入受限的问题，设计了一种控制输入受限下的四旋翼无人机协同编队分布式控制算法。首先，对于外环位置子系统，基于线性矩阵不等式的方法，设计了输入受限下的多旋翼飞行器的编队控制律，使得所有无人机的位置收敛到所需的编队模式。其次，对于内环姿态子系统，采用基于双曲正切的方法设计控制输入受限的控制律，使多无人机的姿态趋于一致。最后，基于Lyapunov稳定性理论，证明了系统的稳定性，仿真结果表明，所设计的控制器能够达到良好的协同跟踪控制效果。     

Robust Tracking Control of a Quadrotor Helicopter

In this paper, a robust tracking control method for automatic take-off, trajectory tracking, and landing of a quadrotor helicopter is presented. The designed controller includes two parts: a position controller and an attitude controller. The position controller is designed by the static feedback control method to track the desired trajectory of the altitude and produce the desired angles for pitch and roll angles. By combining the proportional-derivative (PD) control method and the robust compensating technique, the attitude controller is designed to track the desired pitch and roll angles and stabilize the yaw angle. It is proven that the attitude tracking error of each channel can converge to the given neighborhood of the origin ultimately. Experimental results demonstrate the effectiveness of the designed control method.     

Nonlinear robust control of a quadrotor helicopter with finite time convergence

In this paper, the control problem for a quadrotor helicopter which is subjected to modeling uncertainties and unknown external disturbance is investigated. A new nonlinear robust control strategy is proposed. First, a nonlinear complementary filter is developed to fuse the raw data from the onboard barometer and the accelerometer to decrease the negative effects from the noise associated with the low-cost onboard sensors Then the adaptive super-twisting methodology is combined with a backstepping method to formulate the nonlinear robust controller for the quadrotor''s attitude angles and the altitude position. Lyapunov based stability analysis shows that finite time convergence is ensured for the closed-loop operation of the quadrotor''s roll angle, pitch angle, row angle and the altitude position. Real-time flight experimental results, which are performed on a quadrotor flight testbed, are included to demonstrate the good control performance of the proposed control methodology.     

非匹配扰动干扰下的无人直升机轨迹跟踪控制

针对小型无人直升机在飞行过程中容易受到非匹配扰动影响的特点,本文设计了一种基于新型滑模控制方法的轨迹跟踪控制器.首先,建立了无人直升机系统的非线性数学模型,并对该模型进行近似反馈线性化处理,同时将模型分为位置和偏航两个子系统;然后,利用扩展扰动观测器对复合扰动以及非匹配扰动的各阶导数的估计值,设计新型时变滑模面,得到滑模控制律,并给出了控制系统的稳定性分析;最后,仿真结果验证了控制方法的有效性和优越性.该新型滑模控制方法的优越性主要体现在:对非匹配扰动具有较强的鲁棒性,以及能有效地抑制抖振现象.     

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.     

Nonlinear asymptotic attitude tracking control of an underactuated 3-degree-of-freedom helicopter using neural network feedforward term

This paper proposes a new asymptotic attitude tracking controller for an underactuated 3-degree-of-freedom (DOF) laboratory helicopter system by using a nonlinear robust feedback and a neural network (NN) feedforward term. The nonlinear robust control law is developed through a modified inner-outer loop approach. The application of the NN-based feedforward is to compensate for the system uncertainties. The proposed control design strategy requires very limited knowledge of the system dynamic model, and achieves good robustness with respect to system parametric uncertainties. A Lyapunov-based stability analysis shows that the proposed algorithms can ensure asymptotic tracking of the helicopter’s elevation and travel motion, while keeping the stability of the closed-loop system. Real-time experiment results demonstrate that the controller has achieved good tracking performance.     

基于RFID技术的四旋翼无人机轨迹跟踪控制系统设计

为促进四旋翼无人机的飞行自主性,增强无人监管情况下飞行器主机所具备的避障行进能力,设计基于RFID技术的四旋翼无人机轨迹跟踪控制系统;采用RFID标签识别技术,调制处理既定控制信号,利用标签识别协议,连接微型四旋翼轨迹控制器与内环姿态控制器,通过数据通信链路,提取轨迹跟踪控制所需的传输电子量,完成轨迹跟踪控制系统硬件设计;利用动力系统中的参数辨识策略,确定与轨迹姿态控制相关的物理规律标注,实现四旋翼无人机轨迹跟踪控制;实验结果表明,与机器视觉型控制系统相比,基于RFID技术的控制系统的SSI避障行进指标数值相对较高,全局最大值达到了 79％,四旋翼无人机滚转角平均值为85°,能够有效抑制四旋翼无人机滚转角的数值上升趋势,增强无人监管情况下飞行器主机避障行进能力.     

Three‐Dimensional Constrained Tracking Control Via Exact Differentiation Estimator of a Quadrotor Helicopter

In this paper, a constructive method is presented to design a three dimensional trajectory tracking controller that forces a quadrotor helicopter to track a bounded and sufficiently smooth reference trajectory asymptotically in the presence of constant force disturbances. The quadrotor helicopter under consideration has fewer independent thrusters than degrees of freedom to be controlled. Motivated by the vehicle's steering practices, the roll and pitch angles are regarded as virtual controls along with four control forces to fulfill the task of position and yaw angle reference tracking. To prevent position constraint violation, the barrier Lyapunov function (BLF) is employed in the vectorial backstepping procedure to guarantee that the position and attitude constraints are not violated. The backstepping procedure employs an exact and robust sliding mode differentiator of order two to facilitate the implementation of the attitude command signal without calculating the virtual control signal derivative analytically.     

四旋翼无人机轨迹稳定跟踪控制

针对四旋翼无人机轨迹稳定跟踪控制问题,为抑制外界扰动和参数不确定性的影响,设计一种双环鲁棒控制系统.首先,基于动态面内模法设计输出调节器进行位置控制,可解决系统的渐近跟踪及干扰抑制问题;其次,利用高阶滑模设计姿态控制器,可实现全局有限时间收敛,消除系统抖振和相对阶的限制;再次,为进一步提高控制精度,采用一种鲁棒精确微分器对姿态角指令信号进行精确求导;最后,对系统稳定性进行严格的数学证明,并与PID控制和传统滑模控制进行仿真对比,结果验证了所提出控制策略的优越性和鲁棒性.