四旋翼飞行器的模糊自抗扰姿态控制

姿态控制作为四旋翼飞行器飞行控制系统的核心,必须具备一定的综合抗干扰能力.针对四旋翼无人机的姿态解耦性、抗干扰性、鲁棒性等问题,提出一种基于模糊自抗扰的姿态控制策略.该策略通过设计跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性误差反馈控制律,对系统中的外部扰动和内部扰动进行动态补偿,同时在非线性误差反馈模块的基础上融合了模糊逻辑控制策略.从而降低了参数整定的难度.在MATLAB/Simulink仿真环境下搭建无人机姿态仿真模型,并与传统PID姿态控制进行仿真分析.仿真结果表明,所设计的姿态控制器对非线性系统强耦合系统具有良好的解耦效果、抗干扰能力和鲁棒性能.     

基于干扰观测器的无人机固定时间位姿一体化控制方法

针对存在外部干扰的倾转四旋翼无人机飞行控制问题，提出一种基于干扰观测器和积分终端滑模的固定时间六自由度位姿一体化控制方法。首先，利用对偶四元数建立了倾转四旋翼无人机六自由度飞行控制系统模型。继而，利用固定时间干扰观测器实时估计的外部扰动信息，设计一种基于积分终端滑模的固定时间控制方案，实现无人机的轨迹跟踪控制，并通过Lyapunov理论分析闭环控制系统的固定时间收敛性能。最后，数值仿真结果验证了该控制方法的有效性与正确性。     

空中操作机器人抗扰动鲁棒飞行控制

空中操作机器人是包含无人机平台与多自由度机械臂的新型机器人系统。由于无人机与机械臂的强动力学耦合,加之负载变化,作业过程中外部横风扰动等,均会对无人机平台造成干扰,影响其位置定位精度。本文基于干扰观测器设计了鲁棒飞行控制器,对无人机进行连续状态观测,实现位置控制环路的闭环整定。该控制器运算量小,可实时运行于实际系统中。室内实验测试表明,在机械臂运动、负载变化和外部横风等内外部扰动下,该鲁棒控制器仍可达到0.05 m的定位精度。     

基于干扰观测器的磁悬浮转子扰动抑制方法

针对磁轴承高精度的要求,提出了基于干扰观测器的磁轴承抑制扰动的控制方法,建立了磁轴承的广义被控对象模型,分析并设计了多变量的干扰观测器和分散控制系统,对其进行的仿真分析表明,设计的系统具有良好的稳定性与扰动抑制性能.最后试验验证了干扰观测器作用时转子位移比未加入干扰观测器时降低了63.8%,该控制系统能够大幅度提高转子受扰动时的精度,增强了抑制外界扰动的能力.     

多旋翼无人机姿态控制方法设计与分析

多旋翼无人机因其机械结构简单、维护使用方便等突出特点,近几年在各个应用领域发展迅速。但由于其动态系统为非线性、强耦合,并且对外界及自身系统干扰敏感等特点使其系统难以控制。通过分析无人机的飞行姿态,设计了一种相对传统PID控制方法进行改进的无人机姿态控制方法,并在软件上编程实现,通过飞行测试及地面站输出的结果,验证了该方法确实有助于改善无人机的动态性能,使其在有外界及自身系统干扰的情况下更易于控制,更稳定。     

基于神经网络干扰观测器的终端滑模飞行控制设计

针对具有不确定的非线性多输入多输出系统,利用径向基神经网络设计非线性干扰观测器,并基于所设计的干扰观测器提出了终端滑模控制方法,同时应用于六自由度无人机的鲁棒飞行控制器设计。仿真结果证明了该控制方案的有效性和鲁棒性。     

基于改进扩展状态观测器的四旋翼无人机轨迹鲁棒跟踪控制

针对四旋翼无人机在轨迹跟踪过程中会受到内外部扰动、模型误差等不确定性因素的影响,本文提出了一种基于改进型扩展状态观测器的积分滑模控制方案。具体来讲,首先,将四旋翼无人机系统存在的模型误差以及内外部扰动等不确定性因素视作集总干扰,通过借鉴的改进扩展状态观测器对其进行观测;进而,在此基础上,进一步考虑四旋翼无人机系统控制的连续性,基于四旋翼无人机轨迹误差、速度误差、姿态角误差和姿态角速度误差设计积分滑模控制器,分析了系统的稳定性并分别进行了数值仿真和实机实验。结果表明,采用本文算法时,在数值仿真中,各状态跟踪误差不超过1%,跟踪精度最高;在实机实验中,位置跟踪误差总体上能控制在20%以下。因此,本文方法具备有效性和可行性。     

带干扰观测器的航空相机前向像移补偿控制器

研究了飞机姿态角速度变化的不确定性扰动对相机反射镜前向像移补偿效果的影响,设计了带有干扰观测器的伺服控制方案来抑制干扰.介绍了一种基于力矩扰动作用的反射镜系统数学模型.采用干扰观测器将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型输出的差异等效到控制输入端.然后,在控制中引入等效的补偿来实现对干扰的抑制.最后,应用该方法设计了带有干扰观测器的控制器对相机反射镜组件进行像移补偿控制.与先进的PID方法的比较结果表明:在相同扰动作用下基于干扰观测器的补偿控制算法得到的干扰前向像移残差减小了40％～60％左右.该方法提高了相机反射镜前向像移的补偿精度和补偿控制的鲁棒性.     

机载光电平台的复合补偿控制方法

为实现机载光电平台的实时高精度稳定跟踪控制,提出了一种基于改进干扰观测器和模糊逼近的复合自适应补偿控制方法.首先,根据系统的机械结构特点分析了各框架间的运动学耦合关系;考虑到载体扰动的影响,提出了一种基于速度信号的改进干扰观测器结构,并分析了它的工作原理和鲁棒稳定性.然后,针对机械系统中普遍存在的摩擦等干扰现象,设计了基于模糊逼近的复合补偿控制策略以保证系统的跟踪性能,最后,利用Lyapunov稳定性理论证明了系统的全局稳定性和跟踪误差的渐进收敛.实验结果显示,该控制方法具有较高的稳定精度,其跟踪误差可达μrad数量级,表明该方法可以有效地抑制载体扰动的影响并且具有良好的跟踪性能,是可行有效的.     

气动参数补偿状态观测器在无人机控制技术中的应用

四旋翼无人机在农林植保工作中，由于气候异常、天气变化等原因，经常会受到风向变化、气流扰动等诸多因素的干扰，直接影响四旋翼无人机飞行的安全性和稳定性。针对这一问题，本文研究了一种气动参数补偿状态观测器用于克服四旋翼无人机在野外农林植保工作中可能遇到的未知干扰，保证无人机飞行的可靠性和植保工作的顺利完成。仿真通过对比经典PID控制技术，比较得出本文所提出的控制技术能够有效提高无人机在野外工作环境下的准确控制，最大限度地降低户外不可控干扰对植保工作的影响。     

基于DSP微处理器的无人机飞控系统设计

根据某固定翼飞机的飞行特性,完成姿态回路和导航回路的飞行控制器设计。接着,以DSP28335微处理器为核心,设计出该无人机的飞控系统及地面监测与指令传送系统。最后,对所设计的控制器进行仿真实验,实验结果表明,该飞控系统性能良好,符合设计要求。     

直线型倾转多旋翼植保无人机建模与控制

针对直线型倾转多旋翼植保无人机模型耦合复杂、作业时易受施药执行器干扰等问题,提出了一种模型补偿-线性自抗扰控制算法。首先建立无人机运动学和动力学模型,并分析作业时离心喷头产生的力矩作用影响;然后将作业模型中的固定部分作为已知扰动,引入模型补偿-扩张状态观测器估计内外未知总扰动并动态补偿控制系统,完成位姿控制器设计。仿真结果表明,所提出的算法在作业场景下偏航角度误差小于0.2°,恢复时间小于0.55 s,相比于PID算法和线性自抗扰算法最大角度偏差分别降低3.4°和0.9°,恢复时间减少3.1和0.99 s,具有较强的鲁棒性。飞行实验表明,该无人机可以很好地跟踪植保作业轨迹,最大位置稳态误差小于15 cm,满足植保作业需求。     

Extended state observer based control for generic hypersonic vehicles with nonaffine-in-control character

This paper investigates the flight control problem of generic hypersonic vehicles subject to nonaffine-in-control character. Considering the large uncertainties and external disturbance, the disturbance observer based control strategy is incorporated in the control scheme. Firstly, an extended state observer is used to estimate the system states and the total disturbance. Then, based on the output of the extended state observer, we follow the backstepping design procedure. The dynamic inversion method is involved in the last step of backstepping to solve the nonaffine-in-control problem. The proposed control scheme ensures that the hypersonic vehicle tracks the command signal with almost no aerodynamic knowledge. Rigorous stability proof is given based on the separated time-scale structure of the extended state observer and the dynamic inversion method. At last, numerical simulations are presented in different conditions to demonstrate the effectiveness and good tracking performance of the proposed control scheme.     

基于矢量场法的无人机三维路径跟踪控制

为实现固定翼无人机自主跟踪预定的三维路径,提出了一种基于矢量场法的三维路径跟踪算法.建立了固定翼无人机的运动学模型,并介绍了用于三维路径跟踪的矢量场法,分别推导得出了直线路径和螺旋线路径跟踪所需的期望速度矢量,得到跟随路径所需的期望航向角和航迹角,为无人机横向通道控制和纵向通道控制提供输入,将无人机引导到预定的轨迹上.此外,针对航段切换问题,提出了一种基于圆角几何的切换策略,采用螺旋线来拟合相邻航段,根据无人机是否通过半平面作为切换准则,实现无人机平滑过渡相邻航段.通过仿真实验评估该算法在不同初始条件下的性能,结果表明该方法能使无人机跟踪预定的三维路径,且具有良好的跟踪性能.     

Attitude determination GPS/INS integrated navigation system with FDI algorithm for a UAV

Recently an unmanned aerial vehicle (UAV) has been widely used for military and civil applications. The role of a navigation system in the UAV is to provide navigation data to the flight control computer (FCC) for guidance and control. Since performance of the FCC is highly reliant on the navigation data, a fault in the navigation system may lead to a disastrous failure of the whole UAV. Therefore, the navigation system should possess a fault detection and isolation (FDI) algorithm. This paper proposes an attitude determination GPS/INS integrated navigation system with an FDI algorithm for a UAV. Hardware for the proposed navigation system has been developed. The developed hardware comprises a commercial inertial measurement unit (IMU) and the integrated navigation package (INP) which includes an attitude determination GPS (ADGPS) receiver and a navigation computer unit (NCU). The navigation algorithm was implemented in a real-time operating system with a multi-tasking structure. To evaluate performance of the proposed navigation system, a flight test has been performed using a small aircraft. The test results show that the proposed navigation system can give accurate navigation results even in a high dynamic environment.     

Adaptive compensation control for attitude adjustment of quad-rotor unmanned aerial vehicle

A compensation control strategy based on adaptive back-stepping technique is presented to address the problem of attitude adjustment for a quad-rotor unmanned aerial vehicle (QR- UAV) with inertia parameter uncertainties, the limited airflow disturbance and the partial loss of rotation speed effectiveness. In the design process of control system, adaptive estimation technique is introduced into the closed loop system in order to compensate the lumped disturbance term. More specifically, the designed controller utilizes “prescribed performance bounds” method, and therefore guarantees the transient performance of tracking errors, even in the presence of the lumped disturbance. Adaptive compensation algorithms under the proposed closed loop system structure are derived in the sense of Lyapunov stability analysis such that the attitude tracking error converge to a small neighborhood of equilibrium point. Finally, the simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed controller.     

Disturbance observer based hierarchical control of coaxial-rotor UAV

This paper propose an hierarchical controller based on a new disturbance observer with finite time convergence (FTDO) to solve the path tracking of a small coaxial-rotor-typs Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) despite of unknown aerodynamic efforts. The hierarchical control technique is used to separate the flight control problem into an inner loop that controls attitude and an outer loop that controls the thrust force acting on the vehicle. The new disturbance observer with finite time convergence is intergated to online estimate the unknown uncertainties and disturbances and to actively compensate them in finite time.The analysis further extends to the design of a control law that takes the disturbance estimation procedure into account. Numerical simulations are carried out to demonstrate the efficiency of the proposed control strategy.     

基于8051F040单片机的飞控计算机的硬件设计

为提高无人机的控制性能和小型化特点,实现了基于8051F040单片机的无人机飞控系统的硬件电路设计方案和外围接口电路设计;以8051F040为主控制器并结合外围的一些功能电路组成了整个飞控系统的核心。由于需要控制多路舵机信号,系统采用了片外扩展D/A芯片。