基于扩张状态观测器的四旋翼吊挂飞行系统非线性控制

针对一类四旋翼飞行器吊挂飞行系统的负载摆动抑制和轨迹跟踪精确控制的问题, 考虑系统存在未知外界扰动和模型动态不确定的情况, 提出一种基于扩张状态观测器(Extended state observer, ESO)的吊挂负载摆动抑制的非线性轨迹跟踪控制方法. 将四旋翼吊挂飞行系统分解为姿态、位置和负载摆动控制三个动态子系统, 分别设计非线性控制器实现欠驱动约束下的解耦控制; 设计一种扩张状态观测器, 用以估计和补偿四旋翼与吊挂负载耦合飞行的未知外界扰动与模型动态不确定性, 并验证了闭环系统的稳定性, 跟踪误差及吊挂负载摆动所有信号的一致最终有界. 最后, 利用Quanser公司的Qball2飞行器进行三维空间螺旋轨迹的跟踪控制, 仿真结果验证了未知干扰下基于扩张状态观测器的四旋翼吊挂飞行非线性控制的有效性和优越性, 实现了四旋翼吊挂系统轨迹跟踪的精确控制和飞行过程中负载摆动的快速抑制.     

自抗扰fal函数改进及在四旋翼姿态控制中的应用

将自抗扰控制器(ADRC)应用于四旋翼飞行器姿态控制.首先,对扩张状态观测器(ESO)进行理论分析,对扩张状态观测器中的非线性fal函数进行改进,得到改进型faln函数,并对改进后的状态观测器进行收敛性判断;然后,将传统的fal函数与改进型faln函数进行仿真实验对比,以验证改进型faln函数能够更好地达到“大误差,小增益”的效果;最后,将改进的faln函数应用于四旋翼飞行器姿态控制,仿真结果表明,改进后的faln函数具有比传统fal函数更优的抗扰效果.     

四旋翼飞行器的自适应二阶滑模控制

针对四旋翼飞行器参数变化的姿态控制问题,将自适应光滑二阶滑模控制方法应用于四旋翼飞行器控制系统.对于参数变化引起的模型不确定性部分采用滑模干扰观测器进行补偿,对姿态系统设计自适应光滑二阶滑模控制器,有效地减弱传统滑模控制的抖振,控制器参数的在线调整提高了系统的控制精度.基于Lyapunov理论证明了系统的有限时间稳定.数字仿真和实验结果都验证了所提控制方法的有效性.     

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。     

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.     

四旋翼无人机的位置和姿态控制算法研究

四旋翼无人机是一种非线性、强耦合、欠驱动系统.针对四旋翼存在参数不确定性和外部干扰等问题,本文提出了一种基于反步积分-迭代学习控制和自抗扰控制的位置-姿态控制算法.对于双闭环控制系统,内环采用自抗扰控制,通过扩张状态观测器可以实时观测和补偿内部耦合等建模时参数不确定性项和外部随机干扰.外环采用反步积分-迭代学习控制,因...     

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。     

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。     

具有输入死区与扰动的四旋翼无人机自抗扰控制

研究了具有输入死区与扰动的四旋翼无人机的姿态控制问题。由于输入死区普遍存在于四旋翼无人机的执行机构,并且易受到扰动的影响。针对具有输入死区与扰动的四旋翼无人机系统,设计基于自抗扰的动态面控制器。采用自抗扰控制算法设计扩张状态观测器估计系统的总扰动,采用动态面方法设计控制律。所设计的控制器使四旋翼无人机实现对期望姿态角跟踪。仿真结果验证了该方案的有效性。     

四旋翼无人直升机鲁棒飞行控制

讨论了四旋翼无人直升机的飞行控制问题,提出了一种鲁棒控制器设计方法.该控制器由内环姿态控制器和外环位置控制器两部分组成,姿态控制器采用基于信号补偿的鲁棒控制方法,位置控制器由经典的PD控制实现.将该控制器用于实验室自主研制的四旋翼无人直升机系统,实现了室内悬停飞行.实验结果验证了该控制方法的有效性.     

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.     

基于混合滤波的四旋翼无人机抗干扰姿态控制系统设计

针对四旋翼无人机抗干扰姿态控制系统抗干扰能力较差,控制性能较差的问题;文章提出基于混合滤波的四旋翼无人机抗干扰姿态控制系统,优化设计了系统的硬件和软件部分;硬件部分设计主控制器,通过发生器输出的PWM波信号控制电速;设计传感器模块,测量姿态角与加速度等数据,采用双陀螺仪和双加速度计结构,避免共振对测量结果产生影响;设计电机驱动模块,选用X2216型无刷直流电机为运行提供较高的转速和响应速度;设计无线数据传输模块,选用3DR无线数据传输模块实时监测姿态信位置信息数据;构建基于混合滤波的四旋翼无人机抗干扰姿态控制系统,对角速度数据、加速度数据等数进行融合改正,再运用互补滤波器对陀螺仪和加速度计进行信号检测和控制调度,得到精确的实时姿态角;采用姿态控制算法和串级PID控制策略,提高对系统的控制力,保证飞行的平稳;实验结果表明,基于混合滤波的四旋翼无人机抗干扰姿态控制系统抗干扰性强、控制能力高以及响应速度快。     

基于跟踪微分器的四旋翼飞行器控制器

研究小型四旋翼飞行器导航控制优化问题.针对当前许多控制方法需要四旋翼飞行器速度信号,四旋翼无人机无法获取速度信号情况下,传统控制方法便会失效,为解决上述问题,提出采用跟踪微分器的输出反馈控制器.跟踪微分器估算出四旋翼飞行器的速度值,实现无法获取速度信号下的位置和姿态控制,并对基于微分跟踪器的控制器进行了设计和仿真.仿真结果表明上述控制方法和跟踪微分器观测的速度信号的有效性和可行性.     

四旋翼飞行器固定时间自适应轨迹跟踪控制

针对具有外部扰动和不确定性的四旋翼飞行器,提出了基于命令滤波反步法的固定时间自适应轨迹跟踪控制方案。首先,将四旋翼飞行器分解为姿态子系统和位置子系统,分别利用固定时间命令滤波技术、反步设计方法及分数次幂误差补偿机制设计姿态控制器及位置控制器。其次,结合固定时间Lyapunov稳定性理论,证明了闭环系统的所有信号是固定时间有界的,同时姿态和位置跟踪误差在固定时间内收敛到原点附近的充分小邻域内,且收敛时间的上界独立于四旋翼飞行器初始状态。最后,通过仿真算例验证了所提固定时间控制算法的有效性。     

具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制

为了解决四旋翼无人机飞行过程中的姿态控制问题,考虑受到执行器输入约束和外界未知扰动影响,设计了一种具有输入约束和扰动补偿的四旋翼无人机姿态稳定模型预测控制方法;设计简化的四旋翼无人机姿态动力学模型,降低控制器设计的复杂程度,设计带有输入约束的控制器,模拟饱和输入现象,实现饱和输入下的四旋翼姿态稳定控制;设计风扰观测器,实现对外部未知扰动的估计,有效跟踪外部持续扰动,并由此设计扰动补偿律;围绕代价函数设计带有扰动补偿律的最优控制律,作用于四旋翼姿态系统,实现四旋翼无人机姿态的稳定控制;最后进行数值仿真,设置风扰观测器参数λi为0.25,预测时域Np为10,控制时域Nc为9,仿真测试本文方法与不带观测器的非线性预测控制方法（NMPC）,验证本文控制方法的有效性和优越性。     

基于RBF神经网络自适应PID四旋翼飞行器控制北大核心CSCD

四旋翼飞行器具有高非线性、强耦合、欠驱动等特点,飞行控制器设计困难。首先根据牛顿欧拉方程建立系统动力学模型;然后根据系统动力学模型推导出控制器设计模型,根据系统模型设计出串级控制策略以实现对系统姿态控制和位置控制的解耦;最后针对四旋翼飞行器的控制难点提出了基于RBF的多变量神经网络自适应PID控制方法。该方法具有神经网络自学习、自适应的能力,同时具有一定的非线性控制作用。仿真结果表明,该方法相对于常规PID控制方法具有更短的调节时间、更少的超调量、更好的抗扰动能力,同时,在模型参数变化的情况下该控制器比常规PID控制器的鲁棒性更强。     

四旋翼飞行器模糊PID姿态控制

在四旋翼飞行器控制姿态优化问题的研究中,为更好的实现对四旋翼飞行器的姿态控制,在Matlab环境下利用6-DOF运动方程模块搭建了四旋翼飞行器的非线性模型.选取四旋翼飞行器的姿态角作为控制对象,借助Matlab模糊工具箱设计了模糊PID控制器并依据专家经验编辑了相应的模糊规则;同时设计了常规PID控制器并选取了最佳的PID控制参数,对两种控制器控制下的四旋翼飞行器姿态进行了相同条件下的Matlab仿真.仿真结果表明,模糊PID控制器相比常规PID控制器具有更优良的动态性能及鲁棒性.对实际四旋翼飞行器的姿态控制具有一定的指导意义.     

基于扩张状态观测器和反步法的四旋翼飞行器姿态控制

四旋翼飞行器在实际执行任务过程中,往往会受到外界的干扰,同时建立模型时的不确定性也会对控制效果产生影响。为了提高系统的鲁棒性,设计了一种基于扩张状态观测器和反步法的姿态控制器。基于牛顿-欧拉方程建立了四旋翼飞行器的数学模型,通过设计扩张状态观测器,以此观测四旋翼飞行器受到的扰动,将观测到的扰动估计值补偿至反步控制器,以减小扰动的影响,改善控制效果。通过数值仿真验证了算法的有效性。     

无人机吊挂飞行的非线性控制方法设计

针对四旋翼无人机吊挂飞行系统,本文设计了一种新型控制策略.本文首先建立了四旋翼无人机吊挂系统的数学模型.其中负载被看作由刚性绳悬挂在四旋翼无人机重心位置的质点.之后本文通过能量分析的方法设计了针对此系统的非线性控制器.本文提出的控制方法可以在抑制吊挂负载摆动的同时将四旋翼无人机移动到目标位置.本文运用李雅普诺夫稳定性分析和拉塞尔不变性原理对闭环系统的稳定性进行了证明.最后,通过数值仿真,分别将本控制器镇定控制和调节控制的控制效果与线性二次调节器(linear-quadratic regulator,LQR)控制器进行了对比.     

四旋翼无人机轨迹跟踪的容错控制

针对四旋翼无人机轨迹跟踪的容错控制问题,提出了一个鲁棒[H∞]控制和干扰观测器与故障估计器相结合的容错复合控制器的方法。在外部有界扰动和加性故障的条件下,实现对四旋翼无人机的轨迹跟踪。将四旋翼无人机非线性动态模型解耦成独立的外环位置控制系统和内环角度控制系统,引入区间矩阵对系统参数进行描述,使用干扰观测器和故障估计器进行干扰和故障的估计和补偿。然后设计一个复合控制器既能更好地抑制干扰又能保证无人机在自身存在故障的情况下平稳飞行。通过仿真证明该方法的有效性。