四旋翼飞行器的自抗扰控制方法研究

为了检验自抗扰控制方法是否可以应用在四旋翼飞行器飞行控制系统。介绍了自抗扰控制器的原理以及基本组成。针对四旋翼飞行器低速飞行或悬停状态,提出了一种基于自抗扰控制器的控制系统设计方法并在仿真平台上进行稳定控制、高度控制实验,以及与PID控制系统进行对比分析实验。仿真结果表明：基于自抗扰的四旋翼飞行器控制系统具有较好的动态品质、稳态精度以及较强的鲁棒性,本文所设计自抗扰控制器可应用在四旋翼飞行控制系统。     

四旋翼飞行器飞行姿态的自抗扰控制研究

四旋翼飞行器具有四个对称分布的螺旋桨,其在军事、国防、民用等领域都有着巨大的潜在应用前景。但同时因该系统的欠驱动、非线性等特性,故实现对其的稳定控制存在一定的难度。本文对于四旋翼飞行器的姿态控制问题,根据牛顿第二定律和欧拉方程建立了它的数学模型。并利用自抗扰技术对所建立的模型进行了研究,分别通过对偏航、俯仰、滚转三个角度的控制设计控制器以实现姿态控制,最后通过仿真实验验证了控制器的有效性。     

自抗扰PID四旋翼飞行器控制方法研究

针对传统PID控制算法不能很好地适应非线性被控系统、鲁棒性较弱、抗扰能力差等缺点,提出了一种基于传统PID控制与自抗扰控制结合的四旋翼飞行器控制方法。在传统PID控制器的基础上,对飞行器姿态解算过程中的不确定因素和外界干扰予以实时的观测和补偿。最后在Simulink中分别搭建传统串级PID控制器和自抗扰PID控制器的仿真模型,通过分析仿真结果得出自抗扰PID控制器的响应时间比传统串级PID控制器快约30%,稳态误差较传统串级PID控制器降低约15%,超调量降低约20%。由此得出自抗扰PID四旋翼飞行器控制方法能够很好地适应四旋翼飞行器非线性系统,达到抑制外界干扰以及补偿系统控制误差的效果。     

主动变形四旋翼自抗扰飞行控制方法

为了获得更好的环境适应性,研究设计了一种主动变形四旋翼飞行器.飞行器的变形主要分为两种:机臂伸缩和折叠.为抑制系统所受内外扰动影响,设计了基于自抗扰控制(ADRC)技术的飞行控制器.首先对主动变形四旋翼结构进行设计,使用牛顿欧拉法建立风扰下系统动力学模型,然后分析阵风对系统影响以及动态变形时重心位置、惯性张量等参数的变化,接着将主动变形四旋翼系统解耦成6个SISO系统的组合并设计位姿自抗扰控制器,最后分别利用扩张状态观测器和非线性状态误差反馈律对系统所受扰动进行观测和补偿.仿真结果表明,本文所设计的基于ADRC飞行控制器的主动变形四旋翼具有优秀的位姿控制能力,在飞行过程中可以良好地进行变形,能够有效地观测变形的扰动和紊流风扰,具有较强的稳定性和抗扰性,同时对系统部分动力失效故障有较强的鲁棒性.     

推力矢量可倾转四旋翼自抗扰飞行控制方法

针对常规四旋翼难以实现位置和姿态独立控制问题,研究了一种具有全向推力矢量的可倾转四旋翼飞行器系统.为克服系统的大范围不确定性、强耦合性及外部风扰影响,设计了基于自抗扰控制(ADRC)技术的飞行控制器.通过建立风扰下的系统动力学模型,分析阵风对旋翼气动力的影响.接着将系统解耦为六通道单回路结构并分别设计自抗扰控制器,引入扩张状态观测器估计系统的内外扰动,利用非线性状态误差反馈律输出扰动补偿控制.在此基础上,通过变量代换线性化控制分配矩阵,将控制器输出直接映射到旋翼转速和倾转角.仿真结果表明,所设计的自抗扰飞行控制器具有良好的位置和姿态独立控制能力,能够有效地估计和补偿紊流风扰动,同时对系统的部分动力失效故障有较强的鲁棒性.     

基于自抗扰技术的四旋翼飞行器视觉伺服控制器设计

基于自抗扰控制技术的四旋翼飞行器视觉伺服控制器克服了惯性传感器无法获取位置信息的缺点,提高了飞行器的灵活性,能够胜任更复杂的任务;文章主要针对基于四旋翼无人飞行器的视觉伺服控制技术问题展开相关研究;选用基于HSV颜色空间的颜色特征提取的方法实现目标跟踪,再通过三角形法则确定飞行器与目标在世界坐标下的相对位置,最后引入自抗扰控制技术设计了水平位置控制器与姿态控制器;通过实验结果分析,文章设计的飞行器视觉伺服控制器可以准确地跟踪目标并实施高精度定位,并且控制系统鲁棒性强,跟踪误差小,能够有效地完成视觉伺服控制任务。     

四旋翼无人机时延模糊自抗扰容错控制

针对四旋翼无人机系统执行器故障问题,为改善飞行控制系统性能,提出一种时延模糊自抗扰容错控制。首先,根据四旋翼无人机系统非线性数学模型和执行器故障模型,选择模糊自抗扰控制器作为基准控制器,在未发生执行器故障的情况下,使飞行控制系统保持稳定;其次,在发生执行器故障的情况下,利用时延控制技术估计故障信息,并与模糊自抗扰控制相结合,实现容错控制;最后,对所研究的容错控制算法进行数值仿真分析,仿真结果表明:把时延控制与模糊自抗扰控制相结合,能有效调节执行器故障,使飞行控制系统对故障产生的干扰具有良好的鲁棒性。     

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。     

基于改进粒子群算法的四旋翼自抗扰控制器优化设计

针对四旋翼飞行器自抗扰控制器参数较多,人工整定困难且难以得到最优控制效果的问题,提出一种基于改进粒子群算法的四旋翼自抗扰控制器优化方法。在设计了四旋翼飞行器的自抗扰控制器之后,将自抗扰控制器的参数作为粒子群中的粒子进行迭代寻优,同时在传统的粒子群算法基础上,参考遗传算法,对适应值不好的粒子进行交叉保优,以提高粒子的多样性,加快寻优速度。仿真结果表明,对比人工整定参数的控制器,优化后的控制器超调更小,调节时间更快。该方法能够解决四旋翼飞行器自抗扰控制器人工参数整定困难的问题,且优化后的控制器具有更好的控制效果。     

立方体机器人自抗扰平衡控制方法

针对立方体机器人动力学模型多变量、强耦合的问题,提出一种基于自抗扰控制的平衡控制器设计方法.引入虚拟控制量,并在控制量与输出向量之间并行地嵌入多个自抗扰控制器,从而实现对多变量系统的解耦控制,将系统的动态耦合和外部扰动视为各自通道上的自抗扰控制器的总扰动,在为期望姿态安排过渡过程基础上,设计扩张状态观测器对总扰动进行估计并实时补偿.综合采用经验试凑法和带宽法对控制器参数进行整定,对自抗扰控制器系统进行稳定控制、姿态跟踪、抗扰性和鲁棒性实验,并与PID控制系统进行定量对比分析.仿真结果表明,所设计的自抗扰控制器不仅能有效实现立方体机器人的平衡控制,而且较PID控制器具有更好的响应速度、控制精度和强鲁棒性.     

小型四旋翼无人机建模与有限时间控制

本文首先介绍了一种小型四旋翼无人机的设计过程,从机架设计、动力匹配、机载控制器、传感器、无线通信等多个方面进行了较为详尽的阐述.采用牛顿―欧拉法对四旋翼无人机进行动力学分析,完成了六自由度数学模型的推导.进一步对系统的模型参数进行了测量和计算,并给出了结果.在此基础上,为了满足无人机快速跟踪性能的要求,本文基于快速终端滑模的思想,进行了闭环控制器的设计,并给出了基于Lyapunov函数的稳定性证明.控制器采用分环控制的结构形式,内环为姿态控制,外环为位置控制.最后结合设计的四旋翼无人机,给出的仿真结果验证了控制算法的有效性.     

自抗扰实现飞翼布局无人机全包线飞行控制

本文以大展弦比飞翼布局无人机为研究对象,基于线性自抗扰控制(linear active disturbance rejection control,LADRC)理论设计了包含内环姿态控制和外环轨迹控制的全包线飞行控制器.在姿态控制中,提出一种抗时滞LADRC控制方法,可以有效解决控制延迟和执行机构动态特性引起的LADRC响应振荡;在轨迹控制中,考虑飞翼布局无人机的气动特性,分别设计了高度、航向、侧向偏离等常用飞行模态的跟踪控制器.仿真结果表明,在气动参数存在不确定性及强风干扰的全包线环境中连续飞行时,所设计的控制器具有较好的控制性能和较强的鲁棒特性.与常规全包线控制方案相比,本文设计的全包线飞行控制器待整定参数较少,参数整定过程相对简单,为进一步的工程应用提供了参考.     

线性自抗扰控制的适用性及整定

线性自抗扰控制将被控对象看成串级积分系统,把其他信息都当成不确定性.这种处理方法简单,但是对什么样的系统有效,目前还没有理论给出确定的答案.本文证明任何带有积分行为的严格正则传递函数都可以由线性自抗扰控制的反馈控制器等价实现,从而表明线性自抗扰控制具有广泛的适用性,即只要其他线性控制方法能够控制的系统,线性自抗扰控制同样可以适用.为简化线性自抗扰控制器参数整定,本文针对工业过程中广泛存在的PID控制器,提出将PID参数转化为二阶自抗扰控制参数的方法.该方法转化的线性自抗扰参数以带宽形式表示,从而保留了传统线性自抗扰简单易调的特性,为线性自抗扰控制在工业过程的应用准备了基础.     

小型四旋翼无人机双闭环轨迹跟踪与控制

近年来, 无人飞行器控制繁荣发展对控制精度与品质要求日益增高. 为了应对这一挑战, 本文基于奇异摄 动的思想设计了四旋翼无人机非线性轨迹跟踪控制器. 首先, 基于牛顿欧拉定律建立了四旋翼无人飞行器非线性 奇异摄动形式的数学模型. 然后, 引入奇异摄动理论, 通过时间尺度分解的方法将系统解耦成内环快子系统和外环 慢子系统. 再者, 根据非线性动态逆的思想分别建立快、慢伪线性子系统, 并基于此分别设计外环轨迹跟踪、内环稳 定子控制器, 综合子控制器生成应用于原系统的全阶控制器以兼顾跟踪精度和鲁棒特性. 针对内环快系统, 采用线 性二次调节控制器以实现稳定快速地控制飞行器旋转动态; 针对外环慢系统, 运用经典的比例–微分–积分控制器 以跟踪所给定的轨迹. 最后给出了仿真实例说明本文结论的有效性.     

时滞系统的自抗扰控制综述

时滞系统的控制一直是具有挑战性的普遍问题, 而自抗扰控制思想近年来被广泛地应用于时滞系统中. 在简要概述自抗扰控制原理的基础上, 介绍了应用自抗扰控制思想解决时滞系统问题的常用设计方法, 总结了自抗扰控制器的参数整定方法. 最后, 对今后的进一步研究进行了展望.     

无人机非确定性等价自适应容错飞行控制

针对存在执行器复合故障的固定翼无人机跟踪控制问题,本文提出一种基于非确定性等价原理的自适应容错飞行控制策略.该策略能够有效地估计无人机纵向动态中执行器的失效及漂移故障,保证故障发生后闭环系统的最优性能指标.在自适应容错飞行控制设计中,通过引入辅助系统并动态调节因子,构造非确定性等价原理中偏微分方程的近似解,以简化自适应律设计复杂度.此外,借助Lyapunov稳定性分析方法,证明了在所设计的自适应容错控制器作用下闭环系统的稳定性.最后,仿真验证表明所设计的控制方法能够保证故障无人机的闭环系统性能.     

主动粘弹性控制抗冲击扰动

根据粘弹性材料耗能减振性能较好的特点,针对高频扰动、冲击扰动,本文提出了主动粘弹性控制的方法,定义了主动粘弹性控制技术的基本架构.根据粘弹性材料的耗能计算模型,提出了粘弹性控制律的选取原则.结合广义Maxwell模型,提出了3种粘弹性控制律(viscoelastic control law,VCL).并将粘弹性比例–微分(proportional derivative,PD)控制、粘弹性比例–积分–微分(proportional integral derivative,PID)控制、粘弹性自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)应用到常见的二阶系统中.研究结果表明,主动粘弹性控制技术抗高频扰动、抗冲击扰动的性能特别优异.由于主动控制的响应速度快,主动粘弹性控制的抗扰性能好,本文提出了主动控制与主动粘弹性控制相切换的控制方法,并对切换控制策略进行了研究.研究结果表明,切换控制可同时兼顾抗扰性能与响应速度.     

Altitude control for flexible wing unmanned aerial vehicle based on active disturbance rejection control and feedforward compensation

For achieving the accurate trajectory tracking of the flexible wing unmanned aerial vehicle in the complicated missions, especially the vertical component, a feedforward compensation unit–based active disturbance rejection control (ADRC) is proposed. In ADRC, the internal dynamics and complicated influence of the total disturbance will be estimated and dynamically compensated by extended state observer (ESO). It puts a very high request on the observation ability of ESO with the unpredictable external disturbance, complex internal coupling influence, and the strong nonlinear characteristic of the proposed system. For this reason, by deeply analyzing the model of this system, the varying attitude influence on the altitude control will be deduced. Then, this influence will be compensated previously by a feedforward compensation unit. Through the previous compensation of the calculable part of the internal dynamics and total disturbance, the burden of ESO can be reduced largely. In this way, it improves the control effect of the ADRC with better observation precision of ESO. After that, based on the hardware‐in‐the‐loop simulation, the effectiveness of the proposed method is verified completely with the complicated flight missions. The robustness of the control effect and observation ability of ESO are also verified by the Monte Carlo simulation. At last, the results of actual flight experiment prove the advancement and practicability of the proposed ADRC method.     

Nonlinear path-following method for fixed-wing unmanned aerial vehicles

A path-following method for fixed-wing unmanned aerial vehicles(UAVs) is presented in this paper.This method consists of an outer guidance loop and an inner control loop.The guidance law relies on the idea of tracking a virtual target.The motion of the virtual target is explicitly specified.The main advantage of this guidance law is that it considers the maneuvering ability of the aircraft.The aircraft can asymptotically approach the defined path with smooth movements.Meanwhile,the aircraft can anticipate the upcoming transition of the flight path.Moreover,the inner adaptive flight control loop based on attractive manifolds can follow the command generated by the outer guidance loop.This adaptive control law introduces a first-order filter to avoid solving the partial differential equation in the immersion and invariance adaptive control.The performance of the proposed path-following method is validated by the numerical simulation.     

Flocking control of a fleet of unmanned aerial vehicles

Current applications using single unmanned vehicle have been gradually extended to multiple ones due to their increased efficiency in mission accomplishment, expanded coverage areas and ranges, as well as enhanced system reliability. This paper presents a flocking control method with application to a fleet of unmanned quadrotor helicopters (UQHs). Three critical characteristics of formation keeping, collision avoidance, and velocity matching have been taken into account in the algorithm development to make it capable of accomplishing the desired objectives (like forest/pipeline surveillance) by safely and efficiently operating a group of UQHs. To achieve these, three layered system design philosophy is considered in this study. The first layer is the flocking controller which is designed based on the kinematics of UQH. The modified Cucker and Smale model is used for guaranteeing the convergence of UQHs to flocking, while a repelling force between each two UQHs is also added for ensuring a specified safety distance. The second layer is the motion controller which is devised based on the kinetics of UQH by employing the augmented state-feedback control approach to greatly minimize the steady-state error. The last layer is the UQH system along with its actuators. Two primary contributions have been made in this work: first, different from most of the existing works conducted on agents with double integrator dynamics, a new flocking control algorithm has been designed and implemented on a group of UQHs with nonlinear dynamics. Furthermore, the constraint of fixed neighbouring distance in formation has been relaxed expecting to significantly reduce the complexity caused by the increase of agents number and provide more flexibility to the formation control. Extensive numerical simulations on a group of UQH nonlinear models have been carried out to verify the effectiveness of the proposed method.