四旋翼无人机模型参考自适应滑模控制

针对四旋翼无人机的姿态控制与轨迹跟踪问题,提出了一种模型参考自适应滑模控制。考虑到四旋翼无人机模型的不确定性以及所受的外界气流干扰,根据模型参考自适应控制的思想,利用无干扰时的理想参考模型与实际系统的输出偏差对外界气流干扰以及模型不确定的慢时变部分进行自适应估并补偿。同时采用滑模控制来抑制外界干扰和模型不确定性造成的影响,通过Lyapunov理论证明了该算法可以使系统稳定。最后通过对比仿真,验证了所提出算法的有效性和鲁棒性。     

基于四旋翼无人机的二阶PD积分滑模控制算法研究

为提高6自由度四旋翼无人机系统飞行稳定的收敛速度问题,提出双闭环二阶PD积分滑模控制器的设计方法。该控制器的外环采用二阶PD控制算法使无人机在控制精度上有显著的提高;以系统姿态角动态变化为内环,通过引入饱和函数的积分滑模控制,有效抑制滑模控制算法本身的抖振效应,实现期望轨迹的可靠跟踪,同时利用李雅普诺夫函数证明该系统能够快速收敛达到稳定。仿真结果表明,当无人机受到外界扰动后可以快速准确跟踪螺旋上升的航迹,验证了所提算法的有效性和鲁棒性。     

可倾转变形四旋翼飞行器建模与飞行仿真

为了提高四旋翼飞行器在地震灾难现场等内部狭窄空间中的通过性,提出了一种新型的螺旋桨可倾转的四旋翼飞行器。该四旋翼飞行器在传统四旋翼飞行器基础上增加了一个倾转自由度,实现四个螺旋桨同步、同向倾转,进而可以改变飞行器构型来适应狭窄飞行空间。建立了倾转变形四旋翼飞行器动力学数学模型,在Simulink/SimMechanics仿真环境中搭建了四旋翼飞行器动力学模型,设计了串级PID控制器,实现了四旋翼飞行器在倾转状态下稳定飞行,分析了飞行器穿越狭窄空间的飞行动作及轨迹跟踪情况。仿真结果表明倾转变形四旋翼飞行器构型设计和仿真系统是可行的。     

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。     

小型四旋翼飞行器新型非线性PID姿态控制器设计

针对小型四旋翼飞行器姿态控制问题,设计了一种新型非线性PID姿态控制器。针对传统PID的不足,通过引入两个跟踪微分器以及误差反馈的非线性组合构成非线性PID,并结合简化的小型四旋翼飞行器数学模型,提出了一种基于新型非线性PID姿态控制方法。仿真结果表明,所设计的控制器具有较强的鲁棒性、抗干扰性以及良好的滤波性能,系统具有良好的动态和稳态性能。由于保留了传统PID优点,设计简单,对实际工程具有较大的指导价值。     

基于电磁直线执行器的电子凸轮轨迹跟踪控制

提出了一种基于电磁直线执行器的电子凸轮,通过对给定轨迹的跟踪来实现所需要的直线运动规律,以取代传统的机械凸轮机构。采用迭代学习控制算法控制电子凸轮实现对目标轨迹的跟踪,并进而应用迭代加模糊滑模控制的算法提高电子凸轮的收敛速度与鲁棒性。模糊滑模迭代控制是将误差函数输入滑模控制器中,然后以滑模函数作为模糊控制器的输入,最后通过模糊控制器的输出来控制迭代算法中的增量。通过仿真以及试验验证表明,基于电磁直线执行器的电子凸轮能够有效取代传统的机械凸轮机构,模糊滑模迭代控制算法能够满足电子凸轮对轨迹跟踪精度、响应速度、收敛速度与鲁棒性的要求。     

一种双倾斜式全驱动六旋翼无人机的建模与控制

常规旋翼无人机大都采用共线设计,只能产生竖直方向的推力,极大地限制了旋翼无人机在涉及物理交互任务时的应 用。 针对此问题,研究了一种双倾斜式全驱动六旋翼无人机,采用旋翼转轴非共线的设计方法,可以实现位置与姿态的独立控 制。 提出了一种抑制抖振的改进型积分滑模控制器,并与 PID 控制器、积分反演控制器和传统积分滑模控制器进行对比。 仿真 结果表明,所提出的改进型积分滑模控制器能够实现旋翼无人机位置与姿态的独立控制,并能够有效克服自身模型参数的不确 定性以及外部的风场扰动完成定点悬停与复杂的轨迹跟踪。 实物样机实验结果表明,该设计的全驱动旋翼无人机在长距离横 向运动时能够保持水平姿态, 俯仰角和滚转角误差控制在±2°以内。     

四旋翼飞行器轨迹跟踪控制器的设计与验证

为了解决四旋翼飞行器在外界扰动影响和系统模型参数存在不确定性情况下的精确轨迹跟踪控制问题,设计并验证了一种四旋翼飞行器的非线性轨迹跟踪控制器。首先建立了考虑执行机构特性的四旋翼飞行器数学模型,并将虚拟控制量映射到了实际中对电机的控制;然后通过在反步法轨迹跟踪控制中加入积分项,设计了一种基于积分型反步法的非线性轨迹跟踪控制器,消除模型参数不确定性及外界干扰引起的误差,仿真结果验证了该方法的可行性;最后,利用QBall2四旋翼飞行实验平台,对所设计的非线性轨迹跟踪控制器进行验证,实际飞行实验结果表明了所设计控制器的有效性,提高了实际飞行过程中外界干扰和不确定性下的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制的精度。     

3-RPS并联机构滑模变结构控制系统设计

针对并联机构传统控制器轨迹跟踪精度较低的问题,设计了一种基于并联机构动力学方程和比例切换控制律的滑模变结构控制器(SMC)。首先,建立机构的Matlab/Sim Mechanics仿真分析模型,采用微位移法求解并联机构的Jacobian矩阵及通过工作空间分析确定机构的最佳尺寸参数,为控制系统提供理论参考输入值。其次,设计滑模变结构控制器,运用Lyapunov函数证明滑模变结构控制器的稳定性;最后,建立机构的PID控制和SMC控制系统Matlab/Simulink框图,分别对其进行仿真分析与对比。结果表明,SMC控制器的轨迹跟踪精度比PID控制器的精度高,稳态误差小,且鲁棒性强,响应速度快,从而验证了SMC控制的有效性。     

基于线性扩张状态观测器的挖掘机电液系统滑模控制（英文）

无人驾驶挖掘机器人实际工作环境恶劣,为提高铲斗在负载扰动下的轨迹跟踪精度,建立了挖掘机电液系统非线性数学模型,设计了基于线性扩张状态观测器的滑模控制器（Sliding mode controller based on linear extended state observer, SMC-LESO）。根据铲斗油缸活塞杆位移信号,利用设计的线性扩张状态观测器对系统的速度、加速度及负载扰动和不确定因素进行估计,解决了系统参数难以测量的问题。在此基础上,设计了滑模控制器,并证明了该控制器的Lyapunov稳定性。为进一步验证该控制器的有效性,建立了挖掘机电液比例控制系统的联合仿真模型,并与PID控制器、滑模控制器的轨迹跟踪精度进行对比。仿真结果表明,该控制器可以有效抑制扰动,位移跟踪精度高、鲁棒性强。