基于非线性制导的四旋翼轨迹跟踪控制

四旋翼是一种欠驱动、强耦合的可垂直起降的飞行器,为了实现其能够以设定速度跟踪空间轨迹,设计了一种基于非线性制导算法的轨迹跟踪控制方法。该方法分为了导引与控制两部分组成,导引部分以任务轨迹与期望速度为输入量通过非线性制导算法输出当前四旋翼的期望加速度,控制部分以得到的期望加速度为输入量采用串级PID算法对四旋翼进行姿态控制,从而实现四旋翼保持设定速度对任务轨迹的跟踪。仿真结果表明,所提方法能够实现四旋翼对复杂任务轨迹的精确跟踪,二维复杂轨迹跟踪距离偏差不超过±0.6m,速度偏差不超过2m/s;三维复杂轨迹除了受自身控制力限制的飞行段外,跟踪距离偏差基本控制在±4m以内,速度偏差不超过2m/s。     

基于IBC-PID控制的四旋翼轨迹跟踪控制

针对四旋翼飞行器在阵风扰动下的轨迹跟踪控制问题,提出一种结合积分反步法控制与PID控制的混合控制算法.首先,分析了四旋翼飞行器的受力情况,并采用牛顿 欧拉法建立其动力学方程;其次,根据时间尺度原理,将四旋翼飞行器的控制结构分成位置控制回路与姿态控制回路,前者采用积分反步法进行抗干扰控制,后者采用PID控制进行镇定;同时,引入粒子群算法,利用其寻优优势对所设计的控制器参数进行调整;最后,通过一个螺旋线跟踪仿真对本文所提控制算法的有效性进行了验证.仿真结果表明,本文所提算法具有一定的鲁棒性、稳定性与适用性,能够满足四旋翼轨迹跟踪控制的需求.     

四旋翼航迹跟踪控制与仿真

四旋翼是一种运用广泛的飞行器,轨迹跟踪控制是四旋翼的研究热点。为了实现四旋翼对轨迹的精确跟踪,基于非线性制导算法进行轨迹跟踪控制。建立了四旋翼运动学模型,并介绍了基于非线性制导算法的轨迹跟踪控制。建立了非线性制导算法的带宽与速度和导引长度的关系,通过计算四旋翼姿态控制器带宽与期望航迹带宽,并根据香农采样定律求解出了非线性制导算法导引长度的取值限制范围。仿真结果表明,采用在取值限制范围内的导引长度,能够稳定快速地收敛到期望航迹,拐弯处航迹误差小于1.5 m,此时,四旋翼有最优的航迹跟踪效果。     

四旋翼飞行器增稳混合控制器

针对四旋翼飞行器在不同环境下的飞行稳定性问题,提出反步法和模糊自适应比例积分微分(PID)方法的混合控制方法。该方法根据无人机(UAV)飞行环境和大倾角、大倾角变化率选择当前合适的控制器。在系统未受扰动时,基于Backstepping的控制方法能够完成飞行器的轨迹跟踪;在受扰动时,基于模糊自适应PID能够极大地抑制扰动带来的影响,实现对四旋翼飞行器的精确控制。通过Matlab仿真分析及实际飞行器实验,验证了增稳混合控制器的稳定性。     

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.     

基于干扰观测器的四旋翼轨迹跟踪控制

针对四旋翼飞行器在外部气流扰动和内部模型参数摄动影响下的稳定轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于干扰观测器的动态面反演滑模控制算法.首先,在建立四旋翼飞行器模型的基础上,采用反演滑模控制设计轨迹跟踪控制律,保证所设计的控制器以指数收敛速率跟踪指令信号;然后,设计干扰观测器,在不改变原有控制器结构的基础上观测飞行器内部噪声扰...     

基于RFID技术的四旋翼无人机轨迹跟踪控制系统设计

为促进四旋翼无人机的飞行自主性,增强无人监管情况下飞行器主机所具备的避障行进能力,设计基于RFID技术的四旋翼无人机轨迹跟踪控制系统;采用RFID标签识别技术,调制处理既定控制信号,利用标签识别协议,连接微型四旋翼轨迹控制器与内环姿态控制器,通过数据通信链路,提取轨迹跟踪控制所需的传输电子量,完成轨迹跟踪控制系统硬件设计;利用动力系统中的参数辨识策略,确定与轨迹姿态控制相关的物理规律标注,实现四旋翼无人机轨迹跟踪控制;实验结果表明,与机器视觉型控制系统相比,基于RFID技术的控制系统的SSI避障行进指标数值相对较高,全局最大值达到了 79％,四旋翼无人机滚转角平均值为85°,能够有效抑制四旋翼无人机滚转角的数值上升趋势,增强无人监管情况下飞行器主机避障行进能力.     

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.     

输入受限四旋翼飞行器的模糊自适应动态面轨迹跟踪控制

针对输入受限条件下四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制问题,考虑系统存在模型动态不确定和未知外界干扰的情况,提出一种模糊自适应动态面轨迹跟踪控制方法.该方法设计干扰观测器估计位置模型中复合扰动项,利用模糊系统逼近姿态模型中不确定项和外界干扰,并引入双曲正切函数和辅助系统处理输入受限问题,结合反演法和动态面技术设计轨迹跟踪控制器,以降低控制算法的复杂性,最后选取李雅普诺夫函数证明闭环系统所有信号一致最终有界.应用大疆M100飞行器模型进行仿真验证,结果表明所设计的控制器能够有效处理模型动态不确定和未知外界干扰问题,避免飞行器工作过程中因输入饱和导致执行器失效现象,精确地完成轨迹跟踪控制任务.     

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。     

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。     

基于单位四元数的四旋翼编队反演控制方法

针对四旋翼无人飞行器,研究了在理想通信条件下编队控制问题;四旋翼无人飞行器具有复杂的数学模型,首先用四元数描述其动力学和运动学模型,将其分解为位置和姿态两个相互独立的子系统,通过引入与期望轨迹之间的误差建立了跟踪误差模型;指定编队中一名成员为领航者,编队成员通过一致性算法得到编队的几何中心位置,并以此作为期望轨迹;通过Backstepping方法为每一架四旋翼设计时变反馈控制律使编队达到镇定;最后通过仿真实验验证该控制方法的有效性。     

基于Mahony滤波器和PID控制器的四旋翼飞行器姿态控制

四旋翼飞行器由于其简单的气动布局和复杂的动力学模型在控制领域引起了研究热潮,姿态估计与控制器设计一直是实现四旋翼飞行器稳定飞行的难点。为实现精确的四旋翼飞行器姿态估计,首先分析了IMU传感器示值组成和误差存在的原因,然后在方向余弦矩阵(DCM)和重正交化的基础上,具体给出了Mahony滤波器的实现流程。通过与扩展卡尔曼滤波器对比表明,该算法不仅能保证很高的姿态估计精度,而且计算时间小于扩展卡尔曼滤波器,有助于提高系统姿态估计的实时性。结合Mahony滤波后的姿态信息,采用嵌套PI-PID控制策略设计了控制器。最后,将姿态估计算法和控制算法应用到实验平台上,可以实现四旋翼飞行器悬停和角度跟踪功能。     

基于Mahony滤波器和PID控制器的四旋翼飞行器姿态控制

四旋翼飞行器由于其简单的气动布局和复杂的动力学模型在控制领域引起了研究热潮,姿态估计与控制器设计一直是实现四旋翼飞行器稳定飞行的难点。为实现精确的四旋翼飞行器姿态估计,首先分析了IMU传感器示值组成和误差存在的原因,然后在方向余弦矩阵（DCM）和重正交化的基础上,具体给出了Mahony滤波器的实现流程。通过与扩展卡尔曼滤波器对比表明,该算法不仅能保证很高的姿态估计精度,而且计算时间小于扩展卡尔曼滤波器,有助于提高系统姿态估计的实时性。结合Mahony滤波后的姿态信息,采用嵌套PI-PID控制策略设计了控制器。最后,将姿态估计算法和控制算法应用到实验平台上,可以实现四旋翼飞行器悬停和角度跟踪功能。     

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.     

四旋翼飞行器带速度补偿的多回路PID位置跟踪控制

针对四旋翼飞行器的位置跟踪问题,采用ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical system)软件搭建了四旋翼飞行器的非线性数学模型,并将模型导入到Matlab中,采用多回路PID位置控制策略对飞行器的位置跟踪进行控制,并在此基础上提出采用速度PID进行补偿多回路PID的位置跟踪控制策略.仿真结果表明:所设计的速度PID对多回路PID的位置跟踪控制策略进行补偿,对于四旋翼飞行器位置控制具有响应速度快、超调小、鲁棒性强等特点;所采用的联合仿真方法效果直观.     

四旋翼自主飞行与轨迹跟踪控制

研究四旋翼自主飞行控制和轨迹跟踪控制。建立四旋翼动力学模型,通过实验测量与曲线拟合测得旋翼升力和力矩系数。在姿态控制中引入加速度反馈控制,增加闭环零点提升系统稳定和快速跟踪能力,抵消不确定干扰影响。提出一种基于切向速度和法向位置误差反馈控制的轨迹跟踪控制策略,对设定轨迹进行分段逼近跟踪,通过室外轨迹跟踪飞行试验,验证控制策略设计的有效性。     

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.     

四旋翼飞行器控制系统设计及可视化仿真

直接对四旋翼飞行器控制系统进行调试,极易引发危险,严重时还会造成人员伤害,针对目前多采用数值仿真验证方法难以直接展示控制效果问题,本文设计一种基于Matlab/SimMechanics软件的四旋翼飞行器飞行控制可视化仿真系统,首先,基于Simulink完成了四旋翼飞行器控制系统设计,然后采用PID控制算法实现了四旋翼飞行器飞行状态直观姿态和飞行数据分析功能,最后通过仿真可以得出结论,所设计的四旋翼飞行器控制可视化仿真系统通过三维可视化窗口,可实时完成四旋翼飞行器实时控制算法演示和仿真,具有重要的应用价值。     

基于ADRC的四旋翼飞行器抗干扰控制研究

近年来随着自动控制技术的飞速发展,四旋翼飞行器在军事领域和民用方面均得到了广泛应用。飞行器控制系统的抗干扰能力决定了四旋翼飞行器飞行性能的稳定性和可靠性。飞行器控制系统常采用经典PID(Proportional Integral Derivative)方法,该方法容易受到外界的干扰,增大了控制难度。本文采用自抗扰控制(Auto Disturbances Rejection Control,ADRC)算法对四旋翼飞行器模型的飞行位置和姿态进行了控制。通过与PID算法控制结果对比,可以得到以下结论:基于ADRC算法控制的四旋翼飞行器起飞1-2s后,其飞行位置、姿态、位置和姿态回路扰动均与期望值有较高的重叠性,同时飞行器的水平和空间飞行轨迹呈现出圆滑、平稳。因此,ADRC能够有效地解决飞行器的内部通道耦合和外部干扰等问题,使得四旋翼飞行器能更加方便、可靠、稳定地应用于各个领域。