变桨距四旋翼飞行器控制系统设计

变桨距四旋翼飞行器是通过改变旋翼的桨距大小来改变升力的,这种控制策略可使飞行器姿态的响应和控制的延迟都会小很多,同时可以节省资源和能耗。通过分析对比变桨距与传统的变转速四旋翼飞行器的结构和飞行原理,根据其数学模型和控制要求,设计了变桨距四旋翼飞行器的控制系统。该系统采用STM32F427微处理器作为主控制器,使用MPU6000等惯性测量单元及其他传感器用于检测飞行器的位置、姿态;基于四元数方法进行姿态解算;利用PID控制算法对飞行器姿态、高度进行闭环控制。试飞结果表明,变桨距四旋翼飞行器能够稳定飞行,满足系统要求。     

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STM32的四旋翼飞行器控制系统设计

四旋翼飞行器控制系统的性能决定了飞行效果的优劣,如何改善飞行控制系统使其拥有更良好的表现成为近几年的研究热点。根据四旋翼飞行器的飞行原理,设计了一种新型四旋翼飞行器控制系统。该系统以STM32作为主控制器,配合各姿态传感器实现飞行器姿态及位置的控制,并结合以姿态角为主要误差源的双环结构PID控制器,提高了飞行器的平稳性。经实际飞行验证,该飞行控制系统方案能够取得较稳定的飞行效果。     

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。     

基于串级PID四旋翼飞行器控制系统研究

四旋翼飞行器具有不稳定、非线性、强耦合、建模不确定性等特性,同时是一个四输入、六输出的欠驱动系统。针对这样的系统,学者们在飞行器控制算法方面做了许多研究,比如LQR、滑模控制、反演控制等。虽然这些控制算法在姿态控制等方面有比较好的效果,但需要建立准确的数学模型,数据的实时处理对处理器性能要求高,实现起来有一定的困难。针对上述问题,以小型四旋翼飞行器为研究对象,根据牛顿-欧拉方程建立了四旋翼飞行器的运动、动力学模型,设计了一种易于实现的串级PID控制器,分别对飞行器的位置与姿态进行控制,应用MATLAB/Simulink对所设计的控制器进行仿真。结果表明,串级PID控制器能够快速、稳定、准确地对四旋翼飞行器实现姿态和位置的控制,同时具有比较好的鲁棒性。     

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。     

四旋翼飞行器控制系统设计

四旋翼飞行器姿态控制是四旋翼飞行器控制系统的核心. 通过分析四旋翼飞行器的飞行原理,模型建立,设计了四旋翼飞行器的姿态控制系统;在该系统中采用STM32系列处理器作为主控芯片,MPU6050三轴加速度集和三轴陀螺仪惯性测量单元、磁力计等传感器用于姿态信息检测. 本文中传感器使用结构简单的数字接口对数据进行交换,运用模块化的思想对系统进行设计. 使用PID控制算法进行姿态角的闭环控制,最终实验结果表明,在实验平台上四旋翼飞行器飞行效果稳定,系统满足四旋翼飞行器飞行姿态控制的要求.     

基于ARM的四旋翼姿态控制器设计

四旋翼姿态控制器采用集成了加速度计和陀螺仪的惯性测量单元,实时采集姿态数据,传输给Cortex-M4内核的处理芯片,利用四元数姿态解算方法,对加速度和角速度数据融合解算处理;采用位置式PID控制算法,控制4个无刷电机的转速,实现控制四旋翼飞行器的飞行姿态;建立万向云台调试系统,通过实践调试验证该控制器能实现控制四旋翼姿态的稳定性;稳定飞行时,姿态角的平均振荡范围为5°。     

应用于共轴双旋翼飞行器的姿态控制系统设计

针对共轴双旋翼飞行器的研制,设计了基于STM32微处理器和姿态传感器的姿态控制系统;并针对经典比例—积分—微分(PID)控制对于共轴双旋翼飞行器这种强耦合的非线性系统的控制稳定性不足的问题,提出了一种带积分自适应因子的串级PID控制算法.仿真实验和飞行试验表明:相比于传统PID控制,带积分自适应因子的串级PID控制算法...     

四旋翼无人飞行器实验平台设计及姿态控制研究

为了实现四旋翼无人飞行器姿态的稳定控制并验证控制算法的性能,设计了一种可用于四旋翼无人飞行器姿态控制算法研究及控制性能测试的物理实验平台;首先,利用牛顿-欧拉法建立了四旋翼无人飞行器的六自由度动力学模型;其次,对姿态传感器数据进行融合,利用互补滤波算法实现对四旋翼飞行器姿态进行快速准确解算;然后,在MATLAB环境下搭建了四旋翼飞行器仿真模型,并设计改进的PID控制器对飞行姿态进行了仿真;最后,搭建了一个四旋翼无人飞行器姿态控制的物理实验平台,进行了飞行器姿态控制算法的性能测试;实验结果表明了四旋翼无人飞行器实验平台设计的合理性和正确性,是一种快速有效的飞行器姿态控制算法性能测试实验平台。     

基于自适应积分反步的四旋翼飞行器控制*

四旋翼飞行器系统是强耦合,多输入多输出（MIMO）和非线性的。首先,进行动力学建模,考虑模型参数确定与阵风干扰两种情况。接着,提出了一种自适应积分反步控制方法应用于飞行器跟踪期望轨迹。整个控制系统采用双闭环回路结构,内回路用于控制姿态,外回路用于稳定位置。最后,在模型参数确定的情况下,与积分反步法（Integral Backstepping,IB）做实验对比。在模型参数不确定情况下,对飞行器的期望姿态和位移进行跟踪,结果表明,应用自适应积分反步（Adaptive Integral Backstepping,AIB）控制算法的飞行器对外界较强阵风干扰和模型参数不确定具有一定的鲁棒性,能够较为精确地完成轨迹跟踪任务。     

基于扩张状态观测器和反步滑模法的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

为了解决欠驱动四旋翼无人机（UAV）在实际飞行中存在的外界干扰问题,同时提高在系统参数摄动情况下的精确轨迹跟踪效果,设计了一种基于扩张状态观测器（ESO）和积分型反步滑模算法的飞行控制策略。首先,根据系统的半耦合特性和严反馈结构特点,采用反步法设计姿态内环和位置外环控制器;然后,将抗干扰能力较强的滑模控制融入其中,使得系统的鲁棒性得到增强;接着,为了减小系统的稳态误差,引入积分环节;最后,利用ESO实时估算出系统的内、外总扰动并对控制量进行补偿。通过Lyapunov稳定判据,可以说明该系统是一个全局渐进稳定的系统,并通过仿真分析验证了所提控制方法的有效性和鲁棒性。     

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...     

Nonlinear robust sliding mode control of a quadrotor unmanned aerial vehicle based on immersion and invariance method

We present an asymptotic tracking controller for an underactuated quadrotor unmanned aerial vehicle using the sliding mode control method and immersion and invariance based adaptive control strategy in this paper. The control system is divided into two loops: the inner‐loop for the attitude control and the outer‐loop for the position. The sliding mode control technology is applied in the inner‐loop to compensate the unmatched nonlinear disturbances, and the immersion and invariance approach is chosen for the outer‐loop to address the parametric uncertainties. The asymptotic tracking of the position and the yaw motion is proven with the Lyapunov based stability analysis and LaSalle's invariance theorem. Real‐time experiment results performed on a hardware‐in‐the‐loop‐simulation testbed are presented to validate the good control performance of the proposed scheme. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

Backstepping Approach for Controlling a Quadrotor Using Lagrange Form Dynamics

The dynamics of a quadrotor are a simplified form of helicopter dynamics that exhibit the same basic problems of underactuation, strong coupling, multi-input/multi-output design, and unknown nonlinearities. Control design for the quadrotor is more tractable yet reveals corresponding approaches for helicopter and UAV control design. In this paper, a backstepping approach is used for quadrotor controller design. In contrast to most other approaches, we apply backstepping on the Lagrangian form of the dynamics, not the state space form. This is complicated by the fact that the Lagrangian form for the position dynamics is bilinear in the controls. We confront this problem by using an inverse kinematics solution akin to that used in robotics. In addition, two neural nets are introduced to estimate the aerodynamic components, one for aerodynamic forces and one for aerodynamic moments. The result is a controller of intuitively appealing structure having an outer kinematics loop for position control and an inner dynamics loop for attitude control. The control approach described in this paper is robust since it explicitly deals with unmodeled state-dependent disturbances and forces without needing any prior knowledge of the same. A simulation study validates the results obtained in the paper.     

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。     

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.     

Control and Navigation Framework for Quadrotor Helicopters

This paper presents the development of a nonlinear quadrotor simulation framework together with a nonlinear controller. The quadrotor stabilization and navigation problems are tackled using a nested loops control architecture. A nonlinear Backstepping controller is implemented for the inner stabilization loop. It asymptotically tracks reference attitude, altitude and heading trajectories. The outer loop controller generates the reference trajectories for the inner loop controller to reach the desired waypoint. To ensure boundedness of the reference trajectories, a PD controller with a saturation function is used for the outer loop. Due to the complexity involved in controller development and testing, a simulation framework has been developed. It is based on the Gazebo 3D robotics simulator and the Open Dynamics Engine (ODE) library. The framework can effectively facilitate the development and validation of controllers. It has been released and is available at Gazebo quadrotor simulator (2012).     

Quadrotor Control Via Robust Generalized Dynamic Inversion and Adaptive Non‐Singular Terminal Sliding Mode

A robust two‐loops structured control system design for quadrotor's position/attitude trajectory tracking is proposed. The aim of the outer loop is to provide the roll/pitch tilting commands to the inner loop, which in turns generates the tilting angles that control the quadrotor's center of gravity in the horizontal plane. The outer loop utilizes Robust Generalized Dynamic Inversion (RGDI) of a prescribed asymptotically stable differential equation in the deviation function of the horizontal position coordinates from their reference trajectories. The inner loop employs an Adaptive Non‐singular Terminal Sliding Mode (ANTSM) to control the tilting angles, in addition to controlling the yaw attitude angle and the vertical position coordinate. The proposed scheme solves the singularity avoidance problems of generalized inversion and terminal sliding mode control. The stability of outer and inner loop is ensured by utilizing positive definite Lyapunov energy function for stable tracking performance against parametric variations and bounded unknown external disturbances. Numerous simulations are conducted on a six Degrees of Freedom (DoF) quadrotor model in the presence of parametric variations, un modeled dynamics, and external disturbances.     

具有执行器故障的四旋翼无人机自适应预定性能控制

针对具有执行器故障的四旋翼无人机,提出一种自适应预定性能控制方案.首先,基于内环姿态控制及外环位置控制的双闭环控制策略,将无人机系统解耦为位置子系统和姿态子系统;其次,设计自适应控制方案,对存在的执行器故障参数进行自适应估计,有效地解决了执行器故障下无人机稳定控制问题;然后,提出一种预定性能控制策略,保证系统的暂稳态性能满足预先给定的性能指标;最后,通过仿真实例验证所提出方法的有效性.