四旋翼无人机吊挂系统防摆控制方法研究北大核心CSCD

为了解决四旋翼无人机在吊挂负载飞行过程中吊挂负载在其水平方向摆角波动过大、不能消除、四旋翼无人机无法精确定位等实际工程问题,通过能量分析的方法研究提出了一种基于能量分析的四旋翼无人机吊挂飞行系统非线性耦合防摆控制器。首先,采用拉格朗日法建立了四旋翼无人机吊挂飞行系统的二维动力学模型;然后,通过非线性能量耦合的方法设计了针对此系统的非线性耦合防摆控制器,通过拉塞尔不变性原理和李雅普诺夫方法证明了该闭环反馈控制系统的稳定性。结果表明,所提出的非线性能量耦合控制器能够适用于多种飞行运输情景,在其改变飞行目标位置、吊挂负载质量、附加初始摆动时均有良好的控制效果。最后,通过数值仿真,与其他基于能量分析的控制器,就其目标定位、摆角消除等控制效果进行了对比,结果表明所提出的控制器在改变飞行目标位置、吊挂负载质量、附加初始摆动时,均具有良好的鲁棒性。     

基于干扰观测器的四旋翼吊挂系统非线性控制北大核心

针对四旋翼吊挂系统负载部分易受干扰,影响四旋翼吊挂系统整体稳定性的问题,设计了干扰观测器观测负载所受干扰,并采用积分型反步法控制四旋翼吊挂系统。对吊挂负载与飞行器之间的受力情况进行分析,并用哈密尔顿原理和拉格朗日公式建立数学模型;为飞行器的姿态、位置,吊挂物摆角设计积分型反步法控制器并证明其稳定性,并针对负载易受干扰的问题为其设计干扰观测器补偿所受干扰。通过仿真证明,设计的控制方法对飞行器的位置及姿态控制效果较好,同时抑制吊挂物的摆动,且对干扰的鲁棒性较强。     

四旋翼吊挂变质量负载建模与控制方案设计

针对四旋翼无人机吊挂变质量负载系统中存在负载摆动和外部干扰影响飞行性能的问题,设计了一种基于扩展状态观测器(ESO)和反步控制法相结合,具有内外环结构的控制方案.首先由牛顿-欧拉方程建立了四旋翼吊挂变质量负载系统的动力学模型,建立的四旋翼吊挂变质量负载系统的牛顿-欧拉动力学模型便于理解以及与实际应用相结合;其次在控制方案的外环利用ESO对负载质量变化及外部环境干扰产生的复合扰动进行实时估计,并在控制律中进行补偿,实现了水平位置的抗扰控制;控制方案的内环采用反步控制设计了稳定且抗扰性较强的姿态与高度控制律.仿真通过对所建立的数学模型施加变质量负载与外界环境干扰,验证了所设计控制方案的有效性.     

无人机吊挂空运系统的自适应控制设计

针对四旋翼无人机吊挂空运系统存在的模型不确定性及欠驱动性问题,本文提出了一种基于能量耦合的自适应控制设计.首先,基于能量整形控制方法构造了一种新型的能量存储函数以处理状态耦合.然后利用神经网络对系统未建模动态特性进行在线估计,同时设计参数自适应律在线估计模型中的未知参数,并采用基于符号函数的鲁棒控制算法补偿神经网络的估计误差.本文运用李雅普诺夫方法和拉塞尔不变性原理对闭环系统的稳定性进行了证明,并且证明了负载摆动和无人机位置误差的渐近收敛性.最后,在室内实验平台上进行了飞行实验.实验结果表明,本文提出的非线性控制方法能够在有效抑制吊挂负载摆动的同时,实现无人机位置的精确控制.     

无人机吊挂飞行系统的减摆控制设计

主要考虑了四旋翼无人机（Unmanned aerial vehicle,UAV）吊挂飞行系统的位置控制及负载摆动抑制的设计问题.在存在欠驱动特性以及未知系统参数的约束下,本文基于能量法设计了一种非线性控制策略,实现了对无人机位置的精确控制和飞行过程中负载摆动的快速抑制.基于Lyapunov方法的稳定性分析证明了闭环系统的稳定性,位置误差的收敛及摆动的抑制.实验结果表明本文提出的控制策略取得了较好的控制效果.     

基于加速度补偿的无人机吊挂飞行抗摆控制

为了抑制四旋翼无人机（UAV）吊挂飞行中的载荷摆动,研究了一种新的基于加速度补偿的抗摆控制方法。首先,基于拉格朗日法建立了四旋翼UAV吊挂系统的非线性动态特性方程,并构建了能量函数来设计飞行控制系统,使四旋翼UAV跟踪参考轨迹;然后,利用吊挂载荷运动轨迹广义误差设计抗摆控制器,对四旋翼UAV进行加速度补偿以修正UAV的运动轨迹,进而抑制因四旋翼UAV快速运动造成的吊挂载荷摆动;最后,通过仿真对加速度补偿前后的UAV吊挂飞行控制效果进行对比分析。仿真结果表明,基于加速度补偿的飞行控制方法不仅能保证UAV吊挂飞行的平稳,而且能为飞行控制系统提供足够的稳定裕度。     

四旋翼无人机PDF控制系统设计和抗干扰分析

针对传统的PID控制方法在对四旋翼无人机进行控制时动态响应差,抗干扰能力低等局限性,不能够满足高精度要求的四旋翼无人机应用场合的问题。本文以四旋翼无人机的姿态控制为研究对象,通过采用基于伪微分反馈(PDF)控制策略来设计其飞行控制器,以提高动态响应性能和抗干扰能力。在对四旋翼无人机数学建模的基础上,将PDF控制策略引入到四旋翼姿态控制中,提出基于四旋翼无人机对象的PDF控制设计方法,并分别完成PID、PDF控制器的设计和动态仿真。通过对仿真结果比较、分析表明PDF控制与PID姿态控制器相比,系统超调量小,具有更好的鲁棒性和抗干扰能力。     

基于SO(3)的多四旋翼无人机编队协同控制

针对多四旋翼无人机系统的编队飞行问题,提出了基于特殊正交群SO(3)的协同控制设计方法.在给出编队空间队形和通信拓扑描述后,建立了多四旋翼无人机系统SO(3)控制模型.由于SO(3)与传统俯仰/偏航/滚转三通道模型具有不同的结构,文中进一步研究了SO(3)中无人机之间相对误差的表示方法,设计了适用于多飞行器的SO(3)控制器实现对编队和姿态的协同控制.推力控制器用于调节无人机的位置与速度,并在此基础上构造旋转矩阵形式的姿态协同指令.文中相应设计了SO(3)姿态控制器用于实现指令跟踪,最后从理论上对协同稳定性进行了分析.提出的控制方法能够使得多四旋翼无人机形成期望的队形,并且保持姿态一致进行稳定飞行.仿真结果验证了本文方法的有效性.     

四旋翼无人机姿态系统的非线性容错控制设计

本文研究了四旋翼无人机执行器发生部分失效时的姿态控制问题.通过分析其动力学特性,将执行器故障以乘性因子加入系统模型,得到执行器故障情况下四旋翼无人机的姿态动力学模型.在同时存在未知外部扰动和执行器故障的情况下,设计了一种基于自适应滑模控制的容错控制器.利用基于Lyapunov的分析方法证明了所设计控制器的渐近稳定性.在四旋翼无人机实验平台上进行了实验,验证了该算法对存在未知外部扰动和执行器部分失效时四旋翼无人机的姿态控制具有较好的鲁棒性.     

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.     

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.     

输入饱和与姿态受限的四旋翼无人机反步姿态控制

本文针对四旋翼无人机研究了鲁棒反步姿态控制策略.由于四旋翼无人机结构复杂,其非线性数学模型难以精确建立,因此在控制器设计过程中需要综合考虑模型不确定性、未知外部干扰、输入饱和以及姿态受限等因素.针对模型中的不确定项,使用神经网络进行逼近;对于外部未知干扰,使用非线性干扰观测器进行补偿;使用双曲正切函数逼近饱和函数,解决输入饱和问题;同时使用界限Lyapunov函数设计控制器,确保姿态满足限制条件.最后,设计四旋翼无人机反步姿态控制器,并根据Lyapunov稳定性定理证明了闭环控制系统的有界稳定.仿真结果表明了所研究控制方法的有效性.     

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.     

Nonlinear robust adaptive Cartesian impedance control of UAVs equipped with a robot manipulator

In this paper, a new nonlinear robust adaptive impedance controller is addressed for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) equipped with a robot manipulator that physically interacts with environment. A UAV equipped with a robot manipulator is a novel system that can perform different tasks instead of human being in dangerous and/or inaccessible environments. The objective of the proposed robust adaptive controller is control of the UAV and its robotic manipulator’s end-effector impedance in Cartesian space in order to have a stable physical interaction with environment. The proposed controller is robust against parametric uncertainties in the nonlinear dynamics model of the UAV and the robot manipulator. Moreover, the controller has robustness against the bounded force sensor inaccuracies and bounded unstructured modeling (nonparametric) uncertainties and/or disturbances in the system. Tracking performance and stability of the system are proved via Lyapunov stability theorem. Using simulations on a quadrotor UAV equipped with a three-DOF robot manipulator, the effectiveness of the proposed robust adaptive impedance controller is investigated in the presence of the force sensor error, and parametric and non-parametric uncertainties.     

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.     

A Practical Visual Servo Control for an Unmanned Aerial Vehicle

An image-based visual servo control is presented for an unmanned aerial vehicle (UAV) capable of stationary or quasi-stationary flight with the camera mounted onboard the vehicle. The target considered consists of a finite set of stationary and disjoint points lying in a plane. Control of the position and orientation dynamics is decoupled using a visual error based on spherical centroid data, along with estimations of the linear velocity and the gravitational inertial direction extracted from image features and an embedded inertial measurement unit. The visual error used compensates for poor conditioning of the image Jacobian matrix by introducing a nonhomogeneous gain term adapted to the visual sensitivity of the error measurements. A nonlinear controller, that ensures exponential convergence of the system considered, is derived for the full dynamics of the system using control Lyapunov function design techniques. Experimental results on a quadrotor UAV, developed by the French Atomic Energy Commission, demonstrate the robustness and performance of the proposed control strategy.