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.     

共轴式无人直升机建模与鲁棒跟踪控制

针对共轴式无人直升机非线性、强耦合的动力学特性,本文提出了一种基于动态反馈线性化方法的鲁棒跟踪控制策略.首先根据叶素理论、Pitt-Peters动态入流模型、上下旋翼气动干扰分析建立了共轴式无人直升机的数学模型.然后对于高度-姿态子系统,通过扩展状态变量对其进行了动态反馈线性化,分析了零动态特性.根据内环期望跟踪特性对解耦后的子系统进行极点配置.通过设计鲁棒补偿器实现了对高度与姿态指令的鲁棒跟踪.在此基础上,针对水平面内的位置子系统设计了外环比例微分(proportional-derivative,PD)控制器以实现位置跟踪.最后,通过内环跟踪仿真验证了反馈线性化方法良好的解耦特性,通过干扰条件下的轨迹跟踪仿真验证了所设计控制器具有较好的控制性能与鲁棒性.     

具有输入输出约束的无人直升机预设性能安全跟踪控制

针对无人直升机姿态与高度系统存在未知外部干扰、输入饱和、姿态与高度约束等问题, 本文提出一种具 有输入输出约束的预设性能安全跟踪控制方法. 首先, 针对无人直升机的姿态与高度约束, 通过设计一类边界保护 算法, 构建了新的安全期望跟踪信号. 为了保证系统对于安全期望跟踪信号的跟踪性能, 将预设性能函数与边界保 护算法进行结合, 并对跟踪误差进行转换. 针对系统的输入饱和现象, 使用Sigmoid函数进行逼近; 同时, 针对饱和函 数的逼近误差与未知外部干扰构成的复合干扰, 采用参数自适应方法对其上界进行逼近. 然后, 结合反步控制方法 设计了安全跟踪控制器, 并通过Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统所有信号的收敛性, 保证了无人直升机的安全 跟踪性能. 最终, 通过数值仿真验证了所提控制方法的有效性.     

小型无人直升机浸入–不变集自适应控制

本文基于浸入–不变集理论,针对小型无人直升机存在的参数不确定性问题,设计一种新型的自适应控制器.利用基于Lyapunov的分析方法和La Salle不变性原理,进行闭环系统的稳定性分析,确保无人直升机姿态角的跟踪误差全局渐进收敛,以及闭环系统的稳定性.在无人直升机姿态飞行控制实验平台上,进行了无人机姿态跟踪控制实验.实验结果表明,本文所提出的控制方法具有良好的跟踪控制效果.     

小型无人直升机的姿态与高度自适应反步控制

针对小型无人直升机的姿态与高度控制问题, 本文提出了一种基于反步法的自适应控制策略. 具体而言, 首先对小型无人直升机的运动学模型进行了等效变换, 使系统中未知参数满足线性参数化条件, 然后应用反步法设计了包含主旋翼挥舞模型的姿态与高度自适应控制器, 并借助Lyapunov方法和芭芭拉定理对闭环系统的稳定性进行了严格的数学分析. 最后, 对该控制器的性能进行了仿真验证, 结果表明在直升机质量和惯性矩阵存在不确定性(未知)的情况下, 该控制算法依然能够取得良好的控制效果.     

输入受限下的无人机编队控制方法研究

针对多旋翼飞行器在轨迹跟踪过程中控制输入受限的问题，设计了一种控制输入受限下的四旋翼无人机协同编队分布式控制算法。首先，对于外环位置子系统，基于线性矩阵不等式的方法，设计了输入受限下的多旋翼飞行器的编队控制律，使得所有无人机的位置收敛到所需的编队模式。其次，对于内环姿态子系统，采用基于双曲正切的方法设计控制输入受限的控制律，使多无人机的姿态趋于一致。最后，基于Lyapunov稳定性理论，证明了系统的稳定性，仿真结果表明，所设计的控制器能够达到良好的协同跟踪控制效果。     

基于观测器的网络化多智能体预测控制

研究含模型不确定性的刚性航天器输入受限时的姿态跟踪控制设计问题.针对修改的罗德里格斯姿态参数描述的航天器姿态跟踪动力学模型,基于一种有界非线性连续函数和修改的罗德里格斯姿态参数自身有界性,设计鲁棒自适应状态反馈受限控制器,不确定参数的自适应更新律可保证在线估计参数的有界性.通过所提出的输入受限控制设计方法给出输入受限幅值、期望轨迹上界、模型不确定性上界与控制器增益之间的定量关系,并采用李亚普诺夫方法证明通过选择合适的控制器参数可以保证闭环系统角速度误差渐近收敛到零,且姿态跟踪误差收敛到原点小邻域,同时保证控制量始终在预先给定的受限范围内.仿真结果验证了所设计的控制器可在输入受限的情况下完成控制目标并有效抑制模型的不确定性影响.     

无人机滑降着陆控制系统设计

针对滑跑型无人机回收阶段对下滑角跟踪以及触地时姿态角的高要求,设计了一种无人机滑降着陆控制方式。首先,给出了滑降控制系统结构图,在此基础上分别进行了滑降横侧向控制器和滑降纵向控制器的设计,具体进行了直线航迹和圆航迹的控制方法以及下滑段的高度控制量算法的分析。然后,进行了滑降着陆控制模式设计,将滑降过程分解为降高、平飞、下滑以及拉平四个阶段分别进行设计,并在拉平阶段给出了俯偏航距仰角控制量与离地高度的关键技术公式。仿真结果表明,该无人机滑降着陆控制系统平飞段偏航距小于5m,接地时偏航距约为0m;平飞段高度跟踪误差为0m,下滑段高度跟踪误差2m;落地姿态角为0.4度。具有高度控制误差小、偏航距离短、落地姿态角安全性高的优点,能满足滑跑无人机对滑降阶段的控制要求。     

考虑执行器性能约束的刚体航天器鲁棒姿态跟踪控制

针对存在模型不确定性、外界干扰力矩和执行器性能受限等约束条件下的刚体航天器姿态跟踪控制问题进行研究,并基于滑模控制、反步控制、自适应控制、辅助系统和动态面控制等方法设计相应的鲁棒姿态跟踪控制算法.利用自适应控制实现了对具有多项式形式上界函数的系统未知不确定性进行在线估计和补偿;通过建立描述执行器动态特性的低通滤波模型,并结合辅助系统方法,以确保执行器输出控制力矩的幅值及其变化率均满足一定的饱和约束;通过引入动态面控制法,避免期望虚拟控制信号的一阶导数项直接出现在控制器中,简化了闭环姿态跟踪控制器的设计形式.最后,通过数值仿真验证了所提出控制算法的有效性和可行性.     

基于变结构控制的反鱼雷鱼雷姿态解耦控制

反鱼雷鱼雷由于攻击对象的特性要求具备较好的机动性,鱼雷作姿态机动时控制通道间的耦合,使得传统鱼雷控制技术无法达到控制目的,本文在构建反鱼雷鱼雷姿态运动子系统状态方程的基础上,采用变结构控制策略设计了反鱼雷鱼雷姿态控制器,理论推导和仿真表明:所设计的控制器能够使得反鱼雷鱼雷姿态角稳定地跟踪弹道所需航向角,实现了鱼雷姿态子系统间的解耦控制.     

主旋翼升力和机身姿态受限的模型直升机非线性控制（英文）

A nonlinear control is proposed for trajectory tracking of a 6-DOF model-scaled helicopter with constraints on main rotor thrust and fuselage attitude. In the procedure of control design, the mathematical model of helicopter is simplified into three subsystems: altitude subsystem, longitudinal-lateral subsystem and attitude subsystem. The proposed control is developed by combining the sub-controls for the corresponding subsystems. The sub-controls for altitude subsystem and longitudinal-lateral subsystem are designed with hyperbolic tangent functions to satisfy the constraints; the sub-control for attitude subsystem is based on backstepping technique such that fuselage attitude tracks the virtual control for longitudinallateral subsystem. It is proved theoretically that tracking errors are ultimately bounded, and control constraints are satisfied.Performances of the proposed controller are demonstrated by simulation results.     

基于终端滑模的四旋翼飞行器非线性轨迹跟踪控制

考虑到四旋翼飞行器的传统内外环控制策略依赖时标分离假设,稳定性分析复杂,并且控制参数选取困难的缺点,提出了一种与传统内外环控制策略不同的轨迹跟踪控制器;首先将四旋翼飞行器数学模型进行相应的变换,以分解为高度、偏航角和纵横向三个级联的子系统,再使用终端滑模控制方法设计高度和偏航角子系统的控制器,使两个子系统的状态误差可以在有限时间内收敛到原点,之后基于变量非线性变换设计纵横向子系统的控制器,分析了闭环系统稳定性,证明了所设计的轨迹跟踪控制器可以保证闭环系统跟踪误差渐近稳定到原点,最后仿真实验的结果验证了所设计的控制器的有效性。     

非匹配扰动干扰下的无人直升机轨迹跟踪控制

针对小型无人直升机在飞行过程中容易受到非匹配扰动影响的特点,本文设计了一种基于新型滑模控制方法的轨迹跟踪控制器.首先,建立了无人直升机系统的非线性数学模型,并对该模型进行近似反馈线性化处理,同时将模型分为位置和偏航两个子系统;然后,利用扩展扰动观测器对复合扰动以及非匹配扰动的各阶导数的估计值,设计新型时变滑模面,得到滑模控制律,并给出了控制系统的稳定性分析;最后,仿真结果验证了控制方法的有效性和优越性.该新型滑模控制方法的优越性主要体现在:对非匹配扰动具有较强的鲁棒性,以及能有效地抑制抖振现象.     

Trajectory linearization based output tracking control of an unmanned tandem helicopter with variance constraints

An output tracking control problem for an unmanned tandem rotor helicopter with variance constraints is investigated in this paper. A modified Trajectory Linearization Control (TLC) is proposed to stabilize a nonlinear continuous-time flight dynamics system of the tandem helicopter. The tracking controller structure of TLC is designed by using two-time-scale nonlinear dynamic inversion. The base control law of the translational and attitude loops is designed in a pseudo-inversion feedforward controller to deal with nonlinear features of the plant and a proportional integral controller to stabilize the linear slowly time-variant error system resulted from the nonlinear flight system. Furthermore, a feasible TLC strategy is designed to meet a performance index set including steady trajectory tracking error variance and desired Parallel D-spectrum (PD-) eigenvalues to achieve good flight quality. The Variance-constrained Trajectory Linearization Control (VCTLC) is designed to realize the desired steady tracking precision and agile capability. Flight simulation results show the VCTLC method is feasible and effective in attitude and altitude tracking.     

Decentralized adaptive iterative learning control for interconnected systems with uncertainties

In many applications,the system dynamics allows the decomposition into lower dimensional subsystems with interconnections among them.This decomposition is motivated by the ease and flexibility of the controller design for each subsystem.In this paper,a decentralized model reference adaptive iterative learning control scheme is developed for interconnected systems with model uncertainties.The interconnections in the dynamic equations of each subsystem are considered with unknown boundaries.The proposed controller of each subsystem depends only on local state variables without any information exchange with other subsystems.The adaptive parameters are updated along iteration axis to compensate the interconnections among subsystems.It is shown that by using the proposed decentralized controller,the states of the subsystems can track the desired reference model states iteratively.Simulation results demonstrate that,utilizing the proposed adaptive controller,the tracking error for each subsystem converges along the iteration axis.     

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集总未知非线性的四旋翼飞行器,提出了一种采用自适应不确定性补偿器的自适应动态面轨迹跟踪方法.通过将四旋翼飞行器系统分解为位置、欧拉角和角速率3个动态子系统,使各子系统虚拟控制器设计能充分考虑欠驱动约束;结合动态面控制技术,通过采用一阶低通滤波器,避免对虚拟控制信号求导;进而设计自适应不确定性补偿器,处理未知外界扰动和系统不确定性,最终确保闭环控制系统的稳定性、跟踪误差一致最终有界和系统所有状态信号有界.仿真研究和实验结果验证了本文提出控制方法的有效性和优越性.     

Decentralized filtering adaptive constrained tracking control for interconnected nonlinear systems

This paper presents a novel decentralized filtering adaptive constrained tracking control framework for uncertain interconnected nonlinear systems. Each subsystem has its own decentralized controller based on the established decentralized state predictor. For each subsystem, a piecewise constant adaptive law will generate total uncertainty estimates by solving the error dynamics between the host system and decentralized state predictor with the neglection of unknowns, whereas a decentralized filtering control law is designed to compensate both local and mismatched uncertainties from other subsystems, as well as achieve the local objective tracking of the host system. The achievement of global objective depends on the achievement of local objective for each subsystem. In the control scheme, the nonlinear uncertainties are compensated for within the bandwidth of low‐pass filters, while the trade‐off between tracking and constraints violation avoidance is formulated as a numerical constrained optimization problem which is solved periodically. Priority is given to constraints violation avoidance at the cost of deteriorated tracking performance. The uniform performance bounds are derived for the system states and control inputs as compared to the corresponding signals of a bounded closed‐loop reference system, which assumes partial cancelation of uncertainties within the bandwidth of the control signal. Compared with model predictive control (MPC) and unconstrained controller, the proposed control architecture is capable of solving the tracking control problems for interconnected nonlinear systems subject to constraints and uncertainties.     

严格反馈互联系统分散式backstepping自适应迭代学习控制

基于Lyapunov分析方法,针对具有严格反馈形式的非线性互联系统,本文设计了一种分散式backstepping自适应迭代学习控制器.子系统之间的互联项为所有子系统输出项线性有界,为每个子系统设计的控制器仅采用该子系统的信息,不需要子系统之间相互传递信息.在控制器中,引入在时间轴和迭代轴上同时更新的自适应参数,以补偿子系统之间的互联项影响.通过采用本文给出的控制器,可使得每个子系统的输出跟踪相应的参考模型输出,仿真结果验证了本文算法的有效性.